Neue Modellsysteme zum Verständnis neurodegenerativer Erkrankungen

Jochen HolzschuhUniversität Freiburg

Biologie I

Neue Modellsysteme zum Verständnis neurodegenerativer Erkrankungen Einleitung

Vom Gen zum Protein Das Gehirn Modellsysteme Transgene Tiere

Neurodegenerative Erkrankungen Morbus Parkinson

Morbus Parkinson Modelle zu Morbus Parkinson

Morbus Alzheimer Morbus Alzheimer Modelle zu Morbus Alzheimer

EinleitungVom Gen zum Protein Gene steuern das Zellverhalten, indem sie die Proteine kontrollieren, die eine Zelle produziert.

Promotoren fungieren als “Genschalter” Enhancer als “Verstärker” Transkriptionsfaktoren, die sich an die Promotor-Enhancerregionen heften, verstärken oder inhibieren die Transkription

Das Gehirn

Trepel 2004

Modellorganismus FadenwurmCaenorhabditis elegans

0,5mm

10µm

10µm

Larvenstadien

Wolpert 1999

Modellorganismus Fruchtfliege Drosophila melanogaster

0,1mm

Wolpert 1999

Modellorganismus ZebrafischDanio rerio

0,5mm

0,5mm

1cm

Wolpert 1999

Modellorganismus MausMus musculus

10µm

0,1mm

1mm

Wolpert 1999

Transgene Tiere Überexpression (Transgene)

Einbringen eines zusätzlichen Gens. Dies führt zu einem Funktionsgewinn. Durch die Wahl des Promotors wird der Ort und die Menge der Expression bestimmt.

Knock-out Entfernung eines Gens. Dies führt zu einem

Funktionsverlust. Knock-in

Veränderung des natürlichen Gens, z.B. Einführung einer Punktmutation, oder Austausch eines endogenen Gens durch ein Fremdgen. Dies führt zu der Expression eines mutierten bzw. Fremdgens in normaler Menge

Herstellung transgener Tiere Konventionelle Veränderung

Einbringen von Fremd-DNA an unbestimmterStelle in irgendein Chromosom.

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Lodish et al. 2000

Herstellung transgener Tiere Konventionelle Veränderung Gezielte Veränderung (Gene Targeting)

Veränderung eines Zielgens durch• Einführung eines zusätzlichen DNA Fragments.• Einführung einer Deletion.• Gezielte Veränderung einzelner Nukleotide

Herstellung transgener Tiere Konventionelle Veränderung Gezielte Veränderung (Gene Targeting) Konditionelle Veränderung

Gerichtete genetische Abwandlung, die nur ein spezifisches Gewebe oder einen Zeitabschnitt in der Entwicklung eines Organismus oder beides betrifft.

Neurodegenerative Erkrankungen

“ Clearly, neurons are always riding on the edge; with their high metabolic requirements and meager provisions, they are extremely vulnerable cells. …

…Happy neurons are all alike: every unhappy neuron dies in its own way ”

Hutchings and BarkerWhy Neurons Die: Cell death in the nervous system (1998)

Neurodegenerative Erkrankungen Definition Familiäre oder sporadische

Erkrankungen, die neuropathologisch durch fortschreitenden Untergang bestimmter Populationen von Nervenzellen und Ersatz durch Gliagewebe gekennzeichnet sind.

Neurodegenerative Erkrankungen Klinische Klassifikation Demenzerkrankungen (z.B. Alzheimer)

Verlust erworbener intellektueller Fähigkeiten• Gedächtnis• und mindestens eines der folgenden Merkmale

• Störung des abstrakten Denkens• Vermindertes Urteilsvermögen• Störung anderer kortikaler Funktionen• Persönlichkeitsveränderungen

Neurodegenerative Erkrankungen Klinische Klassifikation Demenzerkrankungen (z.B. Alzheimer)

Zentrale Bewegungsstörungen(Basalganglienerkrankungen z.B. Parkinson) Die Kontrolle der Willkürmotorik, also von

Bewegungen, die bewusst ausgeführt werden, ist in Folge von degenerativen Erscheinungen der Basalganglien gestört.

Neurodegenerative Erkrankungen Klinische Klassifikation Demenzerkrankungen (z.B. Alzheimer)

Zentrale Bewegungsstörrungen (Basalganglienerkrankungen z.B. Parkinson)

Ataxien (z.B. Spinocerebellar Ataxie) Verlust oder Störung der Bewegungsabläufe

und der Haltungsinnervation mit Auftreten unzweckmässiger Bewegungen in Folge gestörter Muskelkoordination.

Neurodegenerative Erkrankungen Klinische Klassifikation Demenzerkrankungen (z.B. Alzheimer)

Zentrale Bewegungsstörrungen (Basalganglienerkrankungen z.B. Parkinson)

Ataxien (z.B. Spinocerebellar Ataxie)

Erkrankungen des motorischen Systems(z.B. ALS Amyotrophe Lateralsklerose ALS) Motorische Störungen ausgehend von einem

neuronalen Verlust im pyramidalen System.

Molekulare Klassifikation neurodegenerativer Erkrankungen Amyloid-Erkrankungen (Alzheimer)

Einlagerung von bestimmtem Proteinen (Amyloid oder Paraamyloid) in die Grundsubstanz des Bindegewebes

Molekulare Klassifikation neurodegenerativer Erkrankungen Amyloid-Erkrankungen (z.B. Alzheimer) Tauopathien (z.B. Alzheimer)

Eine Gruppe von degenerativen Erkrankungen des Zentralnervensystems, die auf eine abnorme Phosphorylierung und Aggregation des Mikrotubuli-assoziierten Proteins Tau zurückzuführen sind

Molekulare Klassifikation neurodegenerativer Erkrankungen Amyloid-Erkrankungen (z.B. Alzheimer) Tauopathien (z.B. Alzheimer) Synukleopathien (z.B. Parkinson)

Neurodegenerative Erkrankungen, bei denen es zur Bildung von Lewy Körperchen kommt. Die Lewy-Körperchen bestehen überwiegend aus Synuklein, einem natürlichen, aber in seiner Struktur krankhaft veränderten Protein.

Molekulare Klassifikation neurodegenerativer Erkrankungen Amyloid-Erkrankungen (z.B. Alzheimer) Tauopathien (z.B. Alzheimer) Synukleopathien (z.B. Alzheimer) CAG Repeat Erkrankungen (z.B. Huntington)

Mutationen, die durch CAG-Repeat-Verlängerungen (Wiederholungen des Codons Cytosin-Adenin-Guanin) charakterisiert sind und zu langen Polyglutaminen führen.

Morbus Parkinson

Erstmals 1817 von Parkinson in seinem “An Essay on the Shaking Palsy” beschrieben. Familiärer idopatischer Parkinson (<40

Jahre, 5-10% der Partienten)• Autosomal-dominant• Autosomal-recessive juvenil

Sporadischer idiopatischer Parkinson (>50 Jahre)

Morbus ParkinsonKlinisches Erscheinungbild Gang- und Gleichgewichtsstörungen Zittern Muskelsteifigkeit

Morbus ParkinsonPathologie Primär degenerativ. Verlust von Neuronen

Hauptsächlich dopaminerger Neurone der Substantia nigra pars compacta

Morbus ParkinsonPathologie Basalganglienerkrankung

Sekundäre Überfunktion des Striatums (Enthemmung)

Morbus ParkinsonKrankheits Faktoren Genetische Faktoren

-Synuclein (Park1) Parkin (Park2) Sepiapterinreductase (Park3) Ubiquitin C-terminale Hydrolase (Park5) TAU

Umwelt Faktoren Unreine Drogen (MPTP in Heroin) Virale Infektion (Influenca A) Trauma (Boxer) Pestizide und Herbizide Mangan Endogene Neurotoxine

Morbus Parkinson-Synuclein Mutationen des -Synuclein führen zu

oxidativen Stress

Morbus ParkinsonTiermodelle Synuclein Transgene Tiere:

C. elegans Drosophila melanogaster Mäuse

Neurotoxin Modelle: MPTP/MPP+ und 6-OHDA C. elegans, Drosophila melanogaster Fische Mäuse Ratten Primaten

Morbus Parkinson in C. elegans

Nass et al. (2002)

Expression von grün fluoreszierenden Protein GFP unter der Kontrolle des DAT Promotors

Wolpert 1999

Das 6-OHDA Toxintötet DA Neurone undführt so zu einer starken Störung der Beweglichkeit in Fadenwürmern

Morbus Parkinson in C. elegans

Nass et al. (2002)

Morbus Parkinson in C. elegans Expression vonMutanten humanen-Synuclein unter der Kontrolle des DAT Promotors führt zu einem Verlust vonDA Neuronen

Lasko et al. 2003

Morbus Parkinson in Drosophila DA Neurone in Drosophila

Frigge-Grelin et al. 2002Hartenstein 1993

Morbus Parkinson in Drosophila Die Expression von mutanten humanen Synuclein führt zu einem MP Phenotypen

human human

transgenic

transgenic

transgenic transgenic

Feany & Bender 2000

Anti -SynucleinAnti -Synuclein

Morbus Parkinson in Drosophila Die Expression von mutantem humanen Synuclein führt zu Störungen in der

Motorik

Feany & Bender 2000

Morbus Parkinson in Drosophila Der Verlust von DA Neuronen kann pharmakologisch aufgehoben werden(Geldanamycin)

Auluck & Bonini 2002

Morbus Parkinson-Synuclein Knockout Mäuse

Abellovich et al. 2000

Das Entfernen des -Synuclein Gens

in Mäusen (knockout) führt zu keiner Veränderung in der Entwicklung der DA Neurone.

Morbus Parkinson in transgenen Mäusen Mutantes humanes -Synuclein in Mäusen

Mauslinie 1Synuclein in allen Neuronen

Mauslinie 2Synuclein in DA Neuronen

Mauslinie 3Synuclein in Glia Zellen

Stichel und Lüber 2003

Morbus ParkinsonDie Suche nach neuen Faktoren DA Neurone im Zebrafisch

Nach Holzschuh et al. 2001

Morbus ParkinsonDie Suche nach neuen Faktoren Mutagenese von Zebrafischen zur

Identifizierung neuer Faktoren der DA Neuronen Entwicklung

Morbus Alzheimer

Erstmals von Alois Alzheimer 1906 als eine "eigenartige Krankheit der Hirnrinde" beschrieben

Die Alzheimersche Krankheit ist eine fortschreitende, degenerative Erkrankung.

Alzheimer ist die häufigste Form der Demenz

Morbus AlzheimerKlinisches Erscheinungsbild Verlust der intellektuellen Funktionen wie

Denken, Erinnern und Verknüpfen von Denkinhalten

Morbus AlzheimerPathologie Primar degenerativ. Verlust von Neuronen

Hauptsächlich Neurone des Vorderhirns und der Großhirnrinde (cholinerge Neurone)

© A Med-World AG

Morbus AlzheimerPathologie Bildung von Fibrillenveränderungen und

pathologischen Ablagerungen in der Hirnrinde “Senile Plaques” mit Amyloid ß-Protein Neurofibrilären Knäulen des TAU Proteins

Morbus AlzheimerKrankheits Faktoren Genetische Faktoren

Amyloid Vorläufer Protein (APP) Presenelin1 Presenelin2 Apolipoprotein E (APOE)

Umwelt Faktoren Aluminium Gehirnverletzungen (Boxen)

Morbus AlzheimerPathologie Die Entstehung von krankhaften Protein

Aggregaten

Morbus AlzheimerPathologie Die Bildung von Amyloid ß-Ablagerungen

Morbus Alzheimerin C. elegans APP transgene Fadenwürmer bilden

Amyloid-ß Ablagerungen in Muskelzellen

50mm

Link et al. 2003

Morbus Alzheimerin Drosophila TAU Transgene Fliegen verlieren

alterersabhängig cholinerge Neurone und

…Neuronenendigungen

Auge 1d

ZNS 1d

Auge 30 d

ZNS 30 d

Ko TAU mTAU

Wittmann et al. 2001

Morbus Alzheimerin Drosophila APP und Psentransgene Fliegenentwickeln Plaquesund Neuro-degenerationen

Greeve et al. 2004

AusblickTiermodelle Tiermodelle ermöglichen die…..

Identifizierung von neuen Faktoren, die für den Krankheitsverlauf verantwortlich sind.

Identifizierung von Faktoren, die die Regeneration oder Neubildung von betroffenen Populationen von Neuronen bewirken.

Aufklärung von Mechanismen, die zu einem neurodegenerativen Krankheitsbild führen.

Testung in der Arzneimittelentwicklung (High-throughput-Screening)

Entwicklung neuer Therapieansätze für neurodegenerative Erkrankungen.