Molekulare Mechanismen von altersassoziierten Deletionen der mitochondrialen DNA
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Oxidativer Stress sowie mtDNA-Schäden gelten als wichtige Pathomechanismen bei neurodegenerativen Erkrankungen und dem Altern. Die mitochondriale Hypothese postuliert, dass sich beide gegenseitig im Sinne eines molekularen Teufelskreises verstärken. Wir fanden in einem Superoxid-Dismutase (SOD)-Knock-out Mausmodell trotz Nachweises chronisch gesteigerten oxidativen Stresses keine vermehrten Deletionen der mtDNA, obwohl wir mit der Lasermikrodissektion und quantitativen Einzelzellanalysen sehr sensitive und spezifische Methoden anwendeten. Diese Daten stützen die mitochondriale Hypothese somit nicht. Allerdings fanden wir Hinweise auf eine Beeinflussung der mitochondrialen Biogenese bzw. mtDNA-Replikation. Mäuse mit starkem oxidativen Stress produzierten mehr mtDNA-Kopien als Wildtyp-Mäuse. Das kann im Sinne eines effektiven Kompensationsmechanismus als Schutz vor mtDNA-Mutationen bei mitochondrialem Stress interpretiert werden. Selbst die älteren Mäuse (> 1 Jahr Lebensalter) zeigten auch bei zusätzlichen mitochondrialen Stressoren in der ausführlichen klinischen Untersuchung keine Hinweise auf einen entsprechenden Phänotyp und verhielten sich wie die Wildtyp-Kontrollen. In einer post mortem Analyse an Gehirnen von Patienten mit Alzheimer- oder Parkinson-Erkrankung prüften wir anschließend, ob die bei diesen Erkrankungen typischen neuropathologischen Veränderungen (Proteinablagerungen) mit vermehrten mtDNA Deletionen assoziiert sind. Wiederum mit quantitativen Einzelzelluntersuchungen konnten wir zeigen, dass Tau-positive Neurone des Hippocampus signifikant mehr Deletionen aufweisen als Tau-negative Neurone. Eine gleiche Tendenz ergibt sich bisher für die alpha- Synculein-positiven Neurone in Gefrierschnitten von Parkinson-Patienten. Diese Befunde unterstreichen die Bedeutung einer mitochondrialen Schädigung als Pathomechanismus bei neurodegenerativen Erkrankungen, auch wenn oxidativer Stress dabei keine herausragende Rolle spielen muss. Wir bestätigten die Assoziation von alpha-Synuclein mit mtDNA Deletionen in einem transgenen Mausmodell. In diesem Modell konnten wir mit dem mitochondrialen Importprotein TOM40 zusätzlich einen neuen Faktor identifizieren, der möglicherweise eine Rolle in der alpha-Synuclein-induzierten Neurodegeneration spielt und ein neuer Therapieansatz sein könnte. Die Einzelzell-Genexpressionsanalyse von dopaminergen Neuronen bei der Parkinson- Erkrankung, die wir im Rahmen einer Kooperation mit unterstützten, erbrachte weitere Gene, deren Polymorphismen mit einem erhöhten Erkrankungsrisiko assoziiert sind (z.B. PDXK). Insgesamt konnten wir somit mit modernen quantitativen Einzelzellanalysen sowohl im Mausmodell wie auch an post mortem humanem Gehirn bestätigen, dass neurodegenerative Erkrankungen mit mitochondrialen Schäden assoziiert sind. Zumindest im SOD-Mausmodell bestätigte sich jedoch nicht, dass oxidativer Stress hierbei ein wesentlicher zusätzlicher Vulnerabilitätsfaktor ist. Die molekulare Analyse spezifischer Zellpopulationen mittels Lasermikrodissektion und quantitativer Downstream-Methoden ist ein vielversprechender Ansatz, um komplexe Fragestellungen in der Neurobiologie zu untersuchen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Single-cell expression profiling of dopaminergic neurons combined with association analysis identifies pyridoxal kinase as Parkinson's disease gene. Ann Neurol 2009;66:792-798
Elstner M, Morris CM, Heim K, Lichtner P, Bender A, Mehta D, Schulte C, Sharma M, Hudson G, Goldwurm S, Giovanetti A, Zeviani M, Burn DJ, McKeith IG, Perry RH, Jaros E, Kruger R, Wichmann HE, Schreiber S, Campbell H, Wilson JF, Wright AF, Dunlop M, Pistis G, Toniolo D, Chinnery PF, Gasser T, Klopstock T, Meitinger T, Prokisch H, Turnbull DM
