The interplay between α-synuclein and Rab GTPases: Insights into the molecular basis of synucleinopathies

Abstract

Mit fortschreitendem Durchschnittsalter der Bevölkerung gewinnen altersbedingte Krankheiten immer mehr an Signifikanz. Demenz und Einschränkungen der Beweglichkeit wirken sich auf Individuen sowie auf Familien aus, da die progressive Abnahme kognitiver und physischer Fähigkeiten ihren Tribut von der Lebensqualität Betroffener sowie den Pflegenden fordert. Morbus Parkinson (PD) ist eine neurodegenerative Erkrankung, welche sich durch Symptome des Bewegungsapparates äußert, bedingt durch degenerative Prozesse im Mittelhirn, und welche mit Veränderungen des Gemütszustandes, Verhaltens sowie Depression und Demenz fortschreiten können. PD betrifft in der Regel ältere Personen, jedoch wurden Gene verschiedener zellulärer Funktionen identifiziert, deren Mutation zu einer frühen oder gar juvenilen Ausprägung der Krankheit führen kann. Ein Hauptakteur in PD ist α-Synuclein (ASYN), ein kleines Protein welches in PD-typischen Proteinablagerungen gefunden wurde. Die zelluläre Funktion von ASYN ist immernoch unbekannt, Mutation oder Überexpression jedoch können zu einem hypermorphen Phänotyp führen und die Verbindung zu PD ist daher unumstritten. Studien haben gezeigt, dass ASYN mit Proteintransportwegen und der Aufstellung der Transportmaschinerie interferiert. Genetische Rasterstudien identifizierten Modulatoren von ASYN-Toxizität in Genclustern des Vesikeltransports. Ebenso konnten Studien in Hefe zeigen, dass Überexpression von ASYN diverse Transportwege stört, besonders zu beachten ist hier der ER-zu-Golgi Transportweg, welcher kritisch für Posttranslationale Modifikationen verschiedener Proteine ist. Des Weiteren greift ASYN-Pathologie störend in die Homöostase von Rab GTPasen ein, eine Proteinfamilie involviert in Vesikeltransport, manche deren Mitglieder ASYN-Toxizität reduzieren können. In dieser Studie zeigen wir in einer Rasteruntersuchung mit Rab GTPasen in einem Säugerzellmodell von ASYN-Proteinanreichungen, dass die ASYN-Pathologe zu einer weitreichenden Störung von Rab GTPase assoziierten Transportwegen führt. Wir identifizieren zwei unterschiedliche endosomale Stoffwechselwege welche beim Auftreten von ASYN-Proteinablagerungen fehlreguliert werden: der endosomale-lysosomale-Proteintransportweg welcher das frühe Endosom beinhaltet, sowie den trans-Golgi Netzwerk (TGN) Transportweg. Die kleinen Rab GTPasen Rab5A, Rab7 und Rab8A haben fundamentale Auswirkungen auf die Formation von ASYN-Proteinansammlungen, Sekretion und Toxizität. Wir zeigen dass Rab8A in der Lage ist ASYN-Proteinansammlungen zu modulieren und agiert protektiv in Bezug auf zelluläre Toxizitätslevel in unserem Modell. Rab5A, ein Protein des frühen Endosoms, fehllokalisiert mit Formation der Ablagerungen, während das lysosomale Rab7 die Anzahl der Ablagerungen erhöht, aber nicht ihnen kolokalisiert. Des Weiteren benutzen wir Größenexklusionschromatographie (SEC) und Enzyme Linked Immunosorbent Assay (ELISA) um zu zeigen, dass Rab5A und Rab7 in Abhängigkeit ihres Aktivitätszustandes die Partikelgröße von ASYN ändert und die Sekretion moduliert. Die abschließende Bewertung eines Tiermodells welches humanes ASYN pan-neuronal überexpremiert zeigte, dass lysosomales Rab7 und die Protease Cathepsin D (CatD) in Hirnregionen verantwortlich für Bewegung, Motivation und Gedächtnis herausreguliert sind. Unsere Arbeit sowohl in Säugerzellkultur sowie in transgenen Tieren deutet darauf hin, dass die ASYN-Pathologie Auswirkungen auf das endosomale Transportsystem hat, aber zeigt auch die Fähigkeit von Proteinen, welche mit diesem Transportsystem assoziiert sind, die Toxizität von ASYN zu modulieren. Daher schließen wir, dass Anomalien in der Transportmaschinerie von Endosomen, welche durch Fehlregulation ASYN verursacht wurden, zur Entstehung der PD Pathologie beitragen.