A Genome-Wide RNAi Screen for Modifiers of Polyglutamine-Induced Neurotoxicity in Drosophila

A Genome-Wide RNAi Screen for Modifiers of Polyglutamine-Induced Neurotoxicity in Drosophila

Ein genomweiter RNAi-Screen nach Modifikatoren Polyglutamin-induzierter Neurotoxizität in Drosophila

Hannes Voßfeldt

Doctoral thesis

Date of Examination: 2012-04-02

Date of issue: 2013-03-15

Advisor: Voigt, Aaron Dr.

Referee: Schulz, Jörg B. Prof. Dr.

Referee: Wimmer, Ernst A. Prof. Dr.

Referee: Marquardt, Till Dr.

Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-000F-4C98-1

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Abstract

English

Spinocerebellar ataxia type 3 (SCA3) or Machado-Joseph disease (MJD) belongs to the group of polyglutamine (polyQ) neurodegenerative diseases and is the most prevalent autosomal dominant cerebellar ataxia worldwide. A highly variable polyglutamine tract is thought to confer toxicity upon the otherwise unrelated proteins causing polyQ diseases. Apart from the polyQ extension, the physiological function and cellular context of these proteins and their interaction partners appear to be crucial for the specific pathogenesis and course of the disorders. In order to elucidate the molecular disease mechanisms triggered by trinucleotide repeats, we intended to identify genetic interactors enhancing or suppressing polyQ toxicity. Therefore, expression of a human Ataxin-3-derived polyQ transgene was targeted to the Drosophila compound eye. The resulting photoreceptor degeneration induced a rough eye phenotype (REP) in adult flies. Eye-specific silencing of distinct genes (fly genes with a human orthologue, ca. 7,500 genes) by RNAi was utilised to identify genetic interactors of the REP. Changes in the observed REP are likely to originate from the knockdown of the RNAi target. Thus, silenced candidate genes are capable of modifying polyQ-induced neurotoxicity. The gene products that were discovered in this manner represent various biological pathways and molecular functions. Secondary investigations were conducted with a set of candidate genes to gain more insight into the mode and quality of the interactions and revealed novel modifier genes involved for example in tRNA methylation or sphingolipid metabolism. These results are likely to shed further light on the molecular pathogenesis of MJD and other polyQ disorders together with the role of Ataxin-3 and its modulator proteins in this process.

Keywords: Polyglutamine diseases; Modifier screen; RNAi; Drosophila; Neurodegeneration

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Die Spinozerebelläre Ataxie Typ 3 (SCA3) oder Machado-Joseph-Krankheit (MJD) gehört zur Gruppe der neurodegenerativen Polyglutaminerkrankungen (PolyQ-Erkrankungen) und ist die häufigste autosomal-dominante zerebelläre Ataxie weltweit. Ein in der Länge hochvariabler Polyglutaminabschnitt ist vermutlich die Ursache für die Toxizität der ansonsten nicht verwandten Proteine, welche die PolyQ-Erkrankungen verursachen. Abgesehen von dem verlängerten Polyglutaminbereich scheinen die physiologische Funktion und der zelluläre Kontext dieser Proteine und ihrer Interaktionspartner entscheidend für die spezifische Pathogenese und den Krankheitsverlauf zu sein. Diese Arbeit soll dazu beitragen, genetische Interaktoren zu identifizieren, welche die PolyQ-Toxizität verstärken oder vermindern, um somit die molekularen Krankheitsmechanismen zu entschlüsseln, die durch die Trinukleotid-Wiederholungen ausgelöst werden. Dafür wurde ein humanes, von Ataxin-3 abgeleitetes Transgen in den Facettenaugen von Drosophila exprimiert. Die daraus resultierende Degeneration der Photorezeptoren induziert einen Raue-Augen-Phänotyp (Rough Eye Phenotype, REP) in adulten Fliegen. Um genetische Modifikatoren des REP zu identifizieren, wurde die Expression bestimmter Gene (Fliegengene mit einem humanen Ortholog, insgesamt ca. 7.500) augenspezifisch per RNAi vermindert. Mögliche Veränderungen im beobachteten REP sind dann höchstwahrscheinlich auf den RNAi-vermittelten Knockdown der Genexpression zurückzuführen. Damit wären die stummgeschalteten Kandidatengene zur Modifizierung der PolyQ-induzierten Neurotoxizität fähig. Die auf diese Weise identifizierten Genprodukte sind in verschiedene biologische Prozesse involviert und stehen stellvertretend für unterschiedlichste molekulare Funktionen. Für eine Auswahl von Kandidatengenen wurden zusätzliche Untersuchungen angestellt, um die Art und das Ausmaß der Interaktionen zu bestimmen. Dabei wurden neue Modifikatorengene analysiert, welche z. B. in die Methylierung von tRNA oder den Sphingolipid-Metabolismus involviert sind. Diese Ergebnisse können neue Erkenntnisse bei der Aufklärung der Pathogenese der MJD und anderer PolyQ-Erkrankungen hervorbringen und gleichzeitig zum Verständnis der Rolle von Ataxin-3 und seinen Modulatorproteinen beitragen.