Spinal muscular atrophy: Analysis of pathomechanistic impact of protective genetic modifiers in mouse models
Final Report Abstract
Ein homozygoter SMN1-Verlust verursacht eine spinale Muskelatrophie (SMA), die häufigste tödliche genetisch-bedingte Motoneuron-Erkrankung im Kindesalter. SMN1 kodiert für SMN, ein allgegenwärtiges Haushaltsprotein, das den primär für Motoneuronen spezifischen Phänotyp ziemlich unerwartet macht. SMA-Individuen weisen eine geringe SMN-Expression von einer bis sechs SMN2-Kopien auf, was nicht ausreicht, um den SMN1-Verlust funktionell zu kompensieren. Selten jedoch sind Individuen mit homozygoter Abwesenheit von SMN1 und nur drei bis vier SMN2-Kopien vollständig asymptomatisch, was auf einen Schutz durch genetische Modifier schließen lässt. Zuvor haben wir die Überexpression von Plastin 3 (PLS3) als schützendem SMA-Modifier beim Menschen identifiziert und gezeigt, dass das SMN-Defizit die Endozytose beeinträchtigt, die durch erhöhte PLS3-Spiegel gerettet wird. Hier identifizieren wir die Reduktion des neuronalen Calciumsensors Neurocalcin delta (NCALD) als einem schützenden SMA-Modifier bei fünf asymptomatischen, mit SMN1 deletierten Personen, die nur vier SMN2-Kopien tragen. Wir zeigen, dass NCALD ein Ca2+-abhängiger negativer Regulator der Endozytose ist, da der Knockdown von NCALD die Endozytose in SMA-Modellen verbessert und pharmakologisch induzierte Endozytose-Defekte im Zebrafisch mildert. NCALD-Knockdown verbessert SMA-assoziierte pathologische Defekte in verschieden SMA-Modellorganismen einschließlich Wurm, Zebrafisch und Maus. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass unsere Studie einen bisher unbekannten schützenden SMA-Modifier beim Menschen identifiziert, die Auswirkung des Modifiers in drei verschiedenen SMA-Tiermodellen zeigt und eine potenzielle kombinatorische Therapiestrategie für die effiziente Behandlung von SMA vorschlägt. Da beide SMA-schützenden Modifier - PLS3 und NCALD - die Endozytose wiederherstellen, bestätigen unsere Ergebnisse, dass die Endozytose ein wesentlicher zellulärer Mechanismus ist, der bei SMA gestört ist, und unterstreichen die Fähigkeit von schützenden Modifiern, zum Verständnis des Krankheitsmechanismus und zur Entwicklung von Therapien beizutragen. NCALD ist ein im Gehirn angereicherter neuronaler Calciumsensor. Die physiologische Funktion von NCALD und die Implikationen der NCALD-Reduktion sind jedoch weitgehend unbekannt. Hier untersuchen wir das ubiquitäre Ncald-Knockout in homozygoten (NcaldKO/KO)- und heterozygoten (NcaldKO/WT)-Mäusen, um die physiologische Rolle von NCALD im Gehirn aufzuklären und zu untersuchen, ob eine 50%ige NCALD-Reduktion eine sichere Option für die SMA-Therapie sein könnte. Wir finden heraus, dass homozygote Ncald-Knockout-Mäuse, jedoch nicht heterozygote Ncald-Knockout-Mäuse signifikante Änderungen in der Hippocampus-Morphologie zeigen, was wahrscheinlich auf die gestörte Erzeugung und Migration adulter neugeborener Neuronen im Gyrus dentatus zurückzuführen ist. Um den zugrunde liegenden Mechanismus zu verstehen, haben wir das NCALD-Interaktom untersucht und die mitogenaktivierte Kinase-Kinase-Kinase 10 (MAP3K10) als einen neuartigen NCALD- Interaktionspartner identifiziert. MAP3K10 ist eine upstream gelegene aktivierende Kinase der c-Jun-N-terminalen Kinase (JNK), die die adulte Neurogenese reguliert. Auffallend war, dass die Aktivierung von JNK in den Gehirnen von homozygoten Ncald-Knockout-Mäusen signifikant hochreguliert wurde. Im Gegensatz dazu wurde weder die adulte Neurogenese noch die JNK-Aktivierung durch den heterozygoten Ncald-Verlust verändert. Zusammenfassend identifiziert unsere Studie eine neuartige Verbindung zwischen NCALD und adulter Neurogenese im Hippocampus, möglicherweise über einen MAP3K10-JNK-Weg, und unterstützt die Hypothese, dass eine 50%ige NCALD-Reduktion eine sichere therapeutische Option für SMA darstellen könnte.
Publications
-
Investigational therapies for the treatment of spinal muscular atrophy. Expert Opin Investig Drugs. 2015;24(7):867-81
Kaczmarek A, Schneider S, Wirth B, Riessland M
-
Moving towards treatments for spinal muscular atrophy: hopes and limits. Expert Opin Emerg Drugs. 2015; 28:1-4
Wirth B, Barkats M, Martinat C, Sendtner M, Gillingwater TH
-
SMA disease modifiers. In Paushkin S, Sumner C, Ko C (eds): Spinal Muscular Atrophy: Disease Mechanisms and Therapy, Elsevier, pp 191-205, 2016
Wirth B, Mendoza Ferreira N, Torres-Benito L
-
The Power of Human Protective Modifiers: PLS3 and CORO1C Unravel Impaired Endocytosis in Spinal Muscular Atrophy and Rescue SMA Phenotype. Am J Hum Genet, 2016 Sept; 99(3):647-665
Hosseinibarkooie SM, Peters M, Torres-Benito L, Rastetter R, Hupperich K, Hoffmann A, Mendoza-Ferreira N, Kaczmarek A, Janzen E, Milbradt J, Lamkemeyer T, Rigo F, Frank Bennett FC,Guschlbauer C, Büschges A, Hammerschmidt M, Riessland M, Kye, MJ, Clemen C, Wirth B
-
Advances in understanding the role of disease-associated proteins in spinal muscular atrophy. Expert Rev Proteomics, 2017; 14(7):581-592
Hosseinibarkooie S; Schneider S, Wirth B
-
Neurocalcin Delta Suppression Protects against Spinal Muscular Atrophy in Humans and across Species by Restoring Impaired Endocytosis. Am J Hum Genet, 2017 Feb 2;100(2):297-315
Riessland M, Kaczmarek A, Schneider S, Swoboda KJ, Löhr H, Bradler C, Grysko V, Dimitriadi M, Hosseinibarkooie S, Torres-Benito L, Peters M, Upadhyay A, Biglari N, Kröber S, Hölker I, Garbes L, Gilissen C, Hoischen A, Nürnberg G, Nürnberg P, Walter M, Rigo F, Bennett CF, Kye MJ, Hart AC, Hammerschmidt M, Kloppenburg P,Wirth B
-
Neurocalcin delta knockout impairs adult neurogenesis whereas half reduction is a safe therapeutic option for spinal muscular atrophy. Front Mol Neurosci. 2019, 12 Feb.
Upadhyay,A., Hosseinibarkooie, S., Schneider, S., Kaczmarek, A.,Torres-Benito, L., Mandoza-Ferreira,N., Grysko, V., Kye, M.J., Kononenko, N.L., and Wirth, B.
