Charakterisierung der Proteinphosphatase 1E (PPM1E) - Lokalisierung und Trunkation in Gehirngewebe und Effekte auf neuronale Morphologie in primärer Neuronenkultur

Abstract

Die Alzheimer sche Erkrankung (Alzheimer s disease, AD) ist eine progressive, neurodegenerative Krankheit, die durch frühe Defizite im Lernen und Gedächtnis, mit letztendlichem Verlust von höheren kognitiven Funktionen, charakterisiert ist. Obwohl erhebliche Fortschritte im Verstehen der histologischen Veränderungen während der Krankheit gemacht wurden, sind alle heute zur Verfügung stehenden Therapien symptomatisch und die Mechanismen, die dem initialen Entstehen von AD zu Grunde liegen sind immer noch unklar. In einem Screen von humanem Gehirngewebe aus verschiedenen AD Stadien, wie repräsentiert durch die Braak Einstufung, ist die gehirnspezifische Proteinphosphatase 1E (PPM1E) durch ihre starke Hochregulation in frühen AD-Stadien aufgefallen. PPM1E wurde nie zuvor mit neurologischen Erkrankungen oder Demenz in Verbindung gebracht, allerdings war es bekannt, dass PPM1E die Ca2+/calmodulin-abhängigen Kinasen (CaMK) IV und II und die p21-aktivierte Kinase (PAK) 1 negativ reguliert. Diese Kinasen sind wichtige Regulatoren des Aktinzytoskeletts in dendritischen Spines und neuronalen Dendriten. Der Verlust an dendritischen Spines und Dystrophie von Dendriten kann im AD-beeinträchtigten Gehirn beobachtet werden. Eine negative Regulation der CaMKII, CaMKIV und PAK1 Kinasen könnte potentiell mit diesen frühen Veränderungen zusammenhängen. Die vorliegende Studie hat den Einfluss von PPM1E auf neuronale Morphologie in primärer Neuronenkultur evaluiert und versucht die zuvor wenig verstandene Phosphatase ausführlicher zu charakterisieren. Die vorliegende Studie zeigte, dass die Erhöhung der PPM1E mRNA Level in humanen Gehirngewebeproben in frühen Stadien der Alzheimer schen Erkrankung sich auch auf der Proteinebene widerspiegelte. PPM1E zeigte konservierte subzelluläre, prädominant zytoplasmatische Lokalisation und Proteintrunkierung in humanem Gehirngewebe in verschiedenen Braak Stadien, in Rattengehirngeweben und in maturierter, dissoziierter Rattenprimärkultur. Die subzelluläre Lokalisation von PPM1E veränderte sich graduell während der Maturierung der dissoziierten Primärkultur, von einer hauptsächlich kernbasierten Lokalisation in Richtung einer zytoplasmatischen Lokalisation in weiter maturierter Primärkultur. Außerdem war PPM1E angereichert an Stellen mit hoher Mitochondriendichte in den Dendriten der maturierten, dissoziierten hippocampalen Kultur. Obwohl vorgeschlagen worden war, dass CaMKIIα, CaMKIV and PAK1 durch PPM1E dephosphoryliert werden, hat die vorliegende Studie gefunden, dass erhöhte PPM1E Level keinen signifikanten Effekt auf den Phosphorylierungszustand der Kinase in maturierten dissoziierten Primärneuronen haben, während sie die Gesamtexpression der CaMKIV signifikant beeinflussen. Ferner hatten erhöhte Werte von PPM1E einen degenerativen Effekt auf die Anzahl von dendritischen, pilzförmigen Spines in maturierter Neuronenkultur, während Herunterregulation von PPM1E zu einer Erhöhung der Zahl von stummeligen Spines führte. Die Anzahl der Primärdendriten wurde sowohl von einer Herunter- als auch von einer Hochregulation von PPM1E in diesen dissoziierten Kulturen negativ beeinflusst. Folglich könnte eine frühe Dysregulation von PPM1E in der Alzheimer schen Erkrankung die Dendritenmorphogenese und die Morphogenese von dendritischen Spines oder deren Homöostase negativ beeinflussen. Eine Inhibition von PPM1E in früheren Alzheimer Stadien könnte den fortschreitenden kognitiven Abbau verzögern oder bestenfalls sogar stoppen. PPM1E könnte daher ein vielversprechendes neues Drug-Target für neurodegenerative Erkrankungen und besonders für AD sein.