Profiling the inherent vulnerability of motor neuron subtypes

Abstract

Motorneuronkrankheiten sind eine heterogene Gruppe von Störungen die in einer selektiven Degeneration der oberen und unteren Motorneurone (MN) resultieren. Die genauen Ursachen für Motorneuronkrankheiten sind kaum verstanden und Behandlungen der Krankheiten begrenzen sich zurzeit auf eine Milderung der Symptome und intensive Pflege. Bemerkenswerter Weise zeigen bestimmte MN-Subtypen dramatische Unterschiede bezüglich ihrer Anfälligkeit für Degeneration in Motorneuronkrankheiten. Die mechanistische Basis dieser angeborenen Unterschiede von MN-Subtypen bleibt unbekannt. Um zu verstehen, was die verschiedenen MN-Subtypen anfällig oder resistent macht, zielt diese Arbeit zuerst darauf ab Unterschiede in genetischen Faktoren dieser Subtypen zu identifizieren. Um dies zu erreichen, wurde eine Transkriptomanalyse von anfälligen versus resistenten MN-Subtypen durchgeführt. Zunächst umfasste dies die Identifizierung des Transkiptoms jener MN, welche den M. Rectus femoris (RF) innervieren, ein überwiegend schneller Muskel, innerviert von schnellen MN und sehr anfällig für Motorneuronkrankheiten. Nachfolgend wurde das Transkriptom des RF´s mit dem jener MN verglichen, welche den M. Soleus (S) innervieren. Der Soleus ist ein langsamer Muskel, welcher hauptsächlich von langsamen MN innerviert wird, welche wiederum relativ resistent in Motorneuronkrankheiten erscheinen. Letztlich wurden die Transkriptome von RF und S MN mit dem jener MN verglichen, welche den M. Bulbocavernosus (BCV) innervieren. Die Ergebnisse zeigten deutliche Unterschiede in den Expressionsprofilen von resistenten BCV und S MN auf der einen Seite und anfälligen RF MN auf der anderen. Vielversprechende Kandidaten wurden durch "in silico" Datenanalyse definiert und via qPCR und "in situ" Hybridisierung verifiziert. Die identifizierten Gene Cartpt und Uts2/Uts2d zum Beispiel, stellen die ersten bestätigten molekularen Marker für resistente und relativ resistente MN dar. Des Weiteren wurden die Gene Cart, Lxn, Lifr, Ubxn4, Calb2 und Pvalb, von welchen gezeigt werden konnte, dass sie selektiv nur in resistenten MN exprimiert werden, schon zuvor mit neuroprotektiven Funktionen in Verbindung gebracht. Parallel zu der "in silico" Analyse wurden alle 200 Kandidaten-Gene, welche in das Profil der resistenten MN passten (hohe Expression in BCV und S, aber niedrige Expression in RF), in vier verschiedenen Neurodegenerations-Modellen der Fruchtfliege Drosophila melanogaster, systematisch auf mögliche Modifizierungen der Neurotoxizität untersucht. Diese Überprüfung identifizierte 36 Kandidaten mit modifizierenden Funktionen in, durch TDP-43 verursachten, retinalem MN-Verlust, einem Modell für MN-Verlust ausgelöst durch Motorneuronkrankheit. Interessanter Weise zeigten eine grosse Anzahl der MN-Resistenz-assoziierten Gene mit modifizierender Funktion eine Verbindung zum Ubiquitinierungs-/Proteasom-Pfad. Eines dieser Gene codiert für die Ubiquitin-Ligase Ubxn4, einem Schlüssel-Cofaktor der zentralen Komponenten von dem ER-assoziiertem Protein-Degradierungspfad durch VCP. Mutationen in VCP wurden kürzlich mit familiären Motorneuronkrankheiten in Verbindung gebracht und es wurde gezeigt, dass diese Mutationen zur Aggregation von Motorneuronkrankheit-assoziiertem TDP-43 führen. Um potentielle Kandidaten zu bestätigen, welche eine positiv modifizierende Funktion in Motorneuronkrankheiten-assoziierter Neurodegeneration haben, wurde ein neues Vertebraten-Modellsystem entwickelt, welches ermöglicht, den MN-Verlust "in vivo" zu untersuchen. Dieses Modellsystem ermöglichte stabile MN-Subtyp-spezifische Transgen-Expression, von humanem TDP-43 in Hühnern, welche zu progressivem MN-Verlust führt, teilweise vermittelt durch Caspase3-abhängige Apoptose. Des Weiteren wurde hier zum ersten Mal gezeigt, dass für die durch Motorneuronkrankheit-assoziiertes TDP-43 verursachte Neurotoxizität, dessen endogene RNA-Bindeaktivität benötigt wird. Die Etablierung dieses Modellsystems bereitet die Basis um systematisch die Aus wirkungen der ausgesuchten Kandidatengene auf Motorneuronkrankheiten-ähnliche Neurodegeneration "in vivo" zu testen. Zusammengefasst bedeutet das für diese Arbeit, die Entdeckung der ersten Gensignaturen und molekularen Marker assoziiert mit Motorneuronen, welche gegenüber Motorneuronkrankheiten resistent sind. Zusätzlich bietet die Arbeit die Basis um eine definierte Anzahl von Genen hinsichtlich ihrer Rolle in der Vermittlung von Resistenz in Motorneuronkrankheiten "in vivo" zu untersuchen.