Biochemische und Einzelzell-Genexpressionsanalyse von ALS-verursachenden KIF5A-Mutationen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine neurodegenerative Erkrankung, die zu Lähmungen und innerhalb von 3-5 Jahren nach der Diagnose zum Tod führt. Varianten in über 30 Genen gelten als monogene Ursachen für ALS. Im Jahr 2018 entdeckten wir bei ALS-Patienten Spleißstellen-Mutationen in KIF5A, die sich in einem Hotspot konzentrieren und KIF5A als neues ALS-Gen identifizierten. Diese Mutationen verursachten alle einen Frameshift in der cDNA, der bei Translation zu einer identischen 40 Aminosäure langen-"Neopeptid"-Sequenz am C-Terminus führt. Wir stellten die Hypothese auf, dass dieses Neopeptid zu einem toxischen Funktionsgewinn von KIF5A führt. Zur Überprüfung setzten wir in diesem Forschungsprojekt zellbiologische und biochemische Methoden in Kulturzellen, KIF5A Mutanten iPSC-differenzierten Motoneuronen von ALS-Patienten und primären Motoneuronen von KIF5A Mutanten Knock-in-Mäusen ein. Wir konnten zeigen, dass das mutierte KIF5A- Protein tatsächlich exprimiert wird und Aggregate bildet. Die Charakterisierung dieser Aggregate, einschließlich Größe, Anzahl und Form, wurde mithilfe eines Algorithmus für maschinelles Lernen durchgeführt. Außerdem stellten wir fest, dass die Aggregate p62 positiv sind und auch Wildtyp-KIF5A enthielten, was auf eine dominant negative Rolle der Mutanten hindeutet. Interessanterweise zeigte unsere Studie, dass nicht alle ALS-Mutationen zum exon- 27 skipping führen, was die Bedeutung des Vorhandenseins eines Neopeptids am C-Terminus des Proteins unterstreicht. Als nächstes identifizierten wir die unterschiedlichen Interaktionspartner von KIF5A durch Massenspektrometrie und BRET-Assays. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass gestörte ribosomale Signalwege eine zentrale Rolle bei der durch KIF5A verursachten ALS-Pathologie spielen könnte. Schließlich beobachteten wir mit Hilfe von snRNA-Seq von Wildtyp- und Knock-in-Mausgeweben signifikante Veränderungen bei differentiell exprimierten Genen in Neuronen, aber nicht in anderen Zelltypen, was auf einen neuronal-autonomen Mechanismus schließen lässt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses Projekt unsere Identifizierung von KIF5A als neuartiges ALS-Gen durch molekulare Studien ergänzt und Einblicke in die Art und Weise bietet, wie ALS-verursachende Mutationen zu zellulären Defekten führen können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
ALS ‐linked KIF5A ΔExon27 mutant causes neuronal toxicity through gain‐of‐function. EMBO reports, 23(8).
Pant, Devesh C.; Parameswaran, Janani; Rao, Lu; Loss, Isabel; Chilukuri, Ganesh; Parlato, Rosanna; Shi, Liang; Glass, Jonathan D.; Bassell, Gary J.; Koch, Philipp; Yilmaz, Rüstem; Weishaupt, Jochen H.; Gennerich, Arne & Jiang, Jie
-
ENCALS (European Network to Cure ALS) 2022 Meeting in Edinburgh, United Kingdom. Title: ALS-causing mutant KIF5A proteins form aggregates
Rüstem Yilmaz
-
Brain Aging, Neurodegeneration, and the Role of Natural Molecules in Maintaining Brain Health Meeting, 2023 in Paris, France.Title: The role of KIF5A in neurodegeneration
Rüstem Yilmaz
-
Fall Meeting 2023 of International Graduate School in Molecular Medicine Ulm, in Ulm, Germany. Title: The role of KIF5A in neurodegeneration: from gene discovery to pathomechanisms
Rüstem Yilmaz
-
Frequency of C9orf72 and SOD1 mutations in 302 sporadic ALS patients from three German ALS centers. Amyotrophic Lateral Sclerosis and Frontotemporal Degeneration, 24(5-6), 414-419.
Yilmaz, Rüstem; Grehl, Torsten; Eckrich, Lukas; Marschalkowski, Ines; Weishaupt, Kanchi; Valkadinov, Ivan; Simic, Melita; Brenner, David; Andersen, Peter M.; Wolf, Joachim & Weishaupt, Jochen H.
-
A TBK1 variant causes autophagolysosomal and motoneuron pathology without neuroinflammation in mice. Journal of Experimental Medicine, 221(5).
Brenner, David; Sieverding, Kirsten; Srinidhi, Jahnavi; Zellner, Susanne; Secker, Christopher; Yilmaz, Rüstem; Dyckow, Julia; Amr, Shady; Ponomarenko, Anna; Tunaboylu, Esra; Douahem, Yasmin; Schlag, Joana S.; Rodríguez, Martínez Lucía; Kislinger, Georg; Niemann, Cornelia; Nalbach, Karsten; Ruf, Wolfgang P.; Uhl, Jonathan; Hollenbeck, Johanna ... & Weishaupt, Jochen H.
