Identifying Target Genes related to Respiratory Network Dysfunction in a Mouse Model for the Rett Syndrome
by Steffen Vogelgesang
Date of Examination:2012-11-19
Date of issue:2013-02-05
Advisor:PD Dr. Dr. Till Manzke
Referee:PD Dr. Dr. Till Manzke
Referee:Prof. Dr. Swen Hülsmann
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-3705
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Abstract
English
Rett Syndrome is a severe neurological disorder caused by mutations in the X chromosome-linked MECP2 gene, which encodes the transcription factor methyl CpG binding protein 2 (MeCP2). Symptoms become obvious during early childhood and include life-threatening breathing abnormalities accompanied by severe periods of apnea causing intermitted hypoxia and frequently sudden death. Gene expression analysis in MeCP2 deficient mice revealed a pathologically strong expression in the gene encoding for the serotonin receptor 5B (5-HTR5B) in the ventral respiratory group (VRG), which includes the region important for respiratory rhythm generation. Extensive protein analysis showed that 5-HTR5B is naturally truncated and displayed an unusual intracellular localization on tubular and vesicular membranes. Despite truncation, the protein is able to bind inhibitory G-proteins, which consequently decreases intracellular cAMP concentration. In MeCP2 knockout mice the persistent cAMP reduction in the VRG caused disturbed breathing. Mice, which additionally lack the Htr5b gene, revealed normal respiratory network output activity. Moreover, these double-knockout mice appeared healthier concerning bodyweight and size and showed extended lifespan. Administration of forskolin, an adenylyl cyclase activator that elevates intracellular cAMP concentration, normalized breathing in MeCP2 deficient mice. Therefore, the application of cAMP elevating drugs might be an effective pharmacological strategy to treat breathing disturbances in Rett patients.
Keywords: Rett syndrome; Cyclic AMP; Breathing disturbances; G-protein coupled receptor; Serotonin
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Das Rett Syndrom (RTT) gehört zu den tiefgreifenden Entwicklungsstörungen des Gehirns von dem fast ausschließlich Mädchen betroffen sind (ICD-10, F84.10). Ursächlich für die Pathogenese sind Mutationen im X-chromsomalen MECP2-Gen, welches für den Transkriptionsfaktor Methyl-CpG binding protein 2 (MeCP2) kodiert. Unterschiedliche neurologische Symptome treten zwischen 6 und 18 Monaten nach der Geburt auf, wobei schwere Rhythmussstörungen der Atmung für ein Viertel plötzlicher Todesfälle bei Rett-Patientinnen verantwortlich gemacht werden. Der neuronale Atmungsrhythmus bei Säugern wird in verschieden Regionen des ponto-medullären Hirnstammes generiert, wobei der Prä-Bötzinger Komplex als essentiell für die Rhythmogenese der Atmung angesehen wird.
Mittels Genexpressionsstudien in der Ventralen Respiratorischen Gruppe (VRG), die den Prä-Bötzinger-Komplex einschließt, zeigte sich eine massiv erhöhte, pathologische Expression des Serotoninrezeptor 5B sowohl auf mRNA-, als auch auf Proteinebene bei MeCP2-defizienten Mäusen zum postnatalen Entwicklungstag P40. Der Serotoninrezeptor 5B (5-HTR5B) gehört zur Klasse der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren. Durch detaillierte Analysen des 5-HTR5B-Proteins konnte eine natürliche Trunkierung des Rezeptors nachgewiesen werden. Des Weiteren wurde eine ungewöhnliche intrazelluläre Lokalisierung in Membranen von vesikulären und tubulären Kompartimenten beobachtet. Trotz dieser ungewöhnlichen Eigenschaften besitzt der Rezeptor weiterhin die Fähigkeit, das inhibitorische G-Protein Gαi3 konstitutiv zu aktivieren und somit den Anstieg von cAMP zu verhindern. Durch genetisches Ausschalten des 5-HTR5B Proteins (knockout) konnte gezeigt werden, dass die durch 5-HTR5B-verminderte cAMP-Konzentration in der VRG ursächlich für den gestörten Atmungsrhythmus MeCP2-defizienter Mäuse ist. Die sich aus diesen Ergebnissen ableitende pharmakologische Strategie, die cAMP Konzentration zu erhöhen, führte zu einem deutlich verbesserten Atmungsrhythmus. Die Ergebnisse dieser Arbeit implizieren neue Therapieansätze zur Behandlung der Atmungs-störungen von Rett-Patienten.
