Untersuchung der Ablagerung von alpha-Synuklein-Aggregaten und der mitochondrialen Funktion im Gehirn von neugeborenen Mäusen mit peroxisomalen Biogenesestörungen (Pex11beta und Pex13 Knockout-Maus-Modelle)

Abstract

Alpha-Synuklein (alpha-Syn) scheint eine Schlüsselrolle bei der Entstehung von neurodegenerativen Krankheiten wie dem Morbus Parkinson zu spielen. Dennoch ist weder die Physiologie noch die Pathologie dieses Proteins zufriedenstellend aufgeklärt. Interessanterweise wurde eine erhöhte Menge an alpha-Syn Oligomeren im Gehirn von Pex2-/-, Pex5-/- und Pex13-/- Mäusen im Vergleich zur Wildtyp Maus beschrieben.Wir wollten herausfinden, in welchen Hirnarealen diese Veränderungen auftreten. Diese Arbeit konnte zeigen, dass alpha-Syn sich besonders im lateralen Kortex, und dort insbesondere im Lobus frontalis, und im Hippocampus von embryonalen (E19) C57BL/6J-Wildtyp Mäusen ablagert. Im medialen Kortex fand sich alpha-Syn fast ausschließlich im Lobus frontalis, während im Thalamus, Putamen, Cerebellum, der periventrikulären Zone und im Hirnstamm nur geringe Mengen an alpha-Syn nachweisbar waren.Damit wurde alpha-Syn besonders in Bereichen des Gehirns, die sich durch eine hohe Menge an Peroxisomen auszeichnen, aufgefunden. Darüber hinaus findet sich alpha-Syn fast ausschließlich in der Marginalzone des Cortex, also an einem Ort, der viele Synapsen und viel neuronale Migration aufweist.Des Weiteren konnte diese Arbeit Evidenz dafür liefern, dass bereits das Ausschalten eines Pex13, (bzw. des Pex11beta) Allels zu einer erhöhten Menge von alpha-Syn und einer erniedrigten Menge von mitochondrialem SOD2 führt. Ähnliche Veränderungen lassen sich auch bei Morbus Parkinson-Patienten feststellen. Denn auch dort finden wir in den dopaminergen Neuronen sowohl eine erhöhte Menge an alpha-Syn als auch in ihrer Funktion eingeschränkte Mitochondrien (reduzierte Komplex I Aktivität, mitochondriale DNA-Deletionen). Daher könnte man vermuten, dass das neurotoxische Dopamin die Funktion der Mitochondrien beeinflusst, z.B. über die Öffnung der mitochondrialen Permeabilitäts-Transitionspore. Dabei könnte alpha-Syn, insbesondere wenn es in quantitativ hohen Mengen vorkommt, in das Mitochondrium gelangen und so die Atmungskette stören. Wir konnten keine Lokalisation von alpha-Syn innerhalb der Mitochondrien nachweisen, so dass alpha-Syn nicht direkt für die Erniedrigung von SOD2 verantwortlich sein kann. In jedem Fall könnte durch eine verminderte SOD2 Menge die Fähigkeit der Neuronen reaktive Sauerstoffspezies abzufangen, welcher bereits nachgewiesenermaßen ein Faktor bei der Entstehung des Morbus Parkinson ist, geschwächt sein.Abschließend lässt sich festhalten, dass Peroxisomen nicht nur einen Einfluss auf die Integrität von Mitochondrien haben, sondern auch darüber hinaus die Proteinmenge von alpha-Syn in Neuronen beeinflussen und damit ein wichtiger Baustein im Verständnis von neurodegenerativen Erkrankungen (z.B. Morbus Parkinson) darstellen. Alpha-Synuclein (alpha-Syn) seems to play a key role in the development of neurodegenerative disorders like Parkinson´s disease, but neither its physiology, nor its pathology have been fully understood. However, it has been shown that Pex2, Pex5 and Pex13 knockout mice, models for peroxisomal biogenesis disorders, have elevated alpha-Syn protein levels in the brain in comparison to their controls.The present study provides evidence via immunofluorescence analysis, that alpha-Syn is mainly found in the lateral cortex of the frontal lobe and hippocampus of embryonic (E19) C57BL/6J-wildtype mice. In the medial cortex this protein can only be found in high quantities in the frontal brain. In contrast, the thalamus, putamen, cerebellum, periventricular zone and brainstem show only small amounts of alpha-Syn.Hereto, alpha-Syn can be found in high quantities in those brain regions, that possess a high number of peroxisomes. Furthermore alpha-Syn is mainly present in the marginal zone of the neocortex, a region rich in synapses and the highest neuronal migration.Furthermore, this work shows that already the Pex13+/- and the Pex11beta+/- genotype exhibits elevated alpha-Syn and decreased mitochondrial SOD2 protein amounts. Similar changes can also be found in patients with Parkinson´s disease. Elevated alpha-Syn amounts and functionally impaired mitochondria (reduced complex I activity, mitochondrial DNA-deletions) are typical changes in this disorder. Therefore it can be hypothesized, that the neurotoxic dopamine is impairing the function of mitochondria, possibly by opening the mitochondrial permeability transition pore. This could lead to alpha-Syn crossing into the mitochondria, especially if this protein is found in high amounts in the neuron, resulting in mitochondrial dysfunction. This thesis could not provide any evidence of alpha-Syn mislocalization into the mitochondria, concluding that alpha-Syn cannot reduce the amount of SOD2 in a direct way. Nevertheless the ability of the neuronal cell to deal with reactive oxygen species could be impaired, which has been linked to the development of Parkinson´s disease.Finally, it can be concluded, that peroxisomes not only have an impact on mitochondrial integrity, but also on the amount of alpha-Syn protein levels in neurons, therefore playing an important role in the understanding of neurodegenerative diseases like Parkinson´s disease.