Molekulare und funktionelle Charakterisierung von Proteasedefekten, die mit neurodegenerativen Erkrankungen im Kindesalter assoziiert sind
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die kindlichen Demenzerkrankungen beruhen überwiegend auf genetischen Störungen und gehen häufig mit progredienten Veränderungen der grauen und weißen Hirnsubstanz einher. Zu den häufigsten Erkrankungen der grauen Hirnsubstanz im Kindesalter gehören die neuronalen Ceroidlipofuszinosen (NCL); zwei NCL-Unterformen werden durch Defekte lysosomaler Proteasen hervorgerufen. Der Verlust der Tripeptidyl-Peptidase 1 (TPPl)-Aktivität ist Ursache der spätinfantilen NCL, der vollständige Ausfall von Cathepsin D (CTSD) führt zur kongenitalen NCL. In Ergänzung zu funktionellen Studien der TPPl-Aktivität unternahmen wir Strukturanalysen dieser Peptidase. Rekombinante TPPl wurde im Milligramm-Maßstab in HEK 293-Zellen exprimiert, durch Metallionen-Affinitätschromatographie aufgereinigt und durch das Verfahren des hängenden Tropfen kristallisiert. In Zusammenarbeit mit Prof. Sheldrick, Institut für Anorganische Chemie der Universität Göttingen, gelang es mir die Kristallstruktur der TPPl aufzuklären. Die Strukturauflösung verdeutlicht die molekularen Mechanismen, die zum Funktionsausfall dieser Protease führen und eröffnet neuartige Therapieansätze mit z.B. chemischen Chaperonen und anderen kleinmolekularen Substanzen. Im Rahmen der Abklärung weiterer kindlicher Demenzerkrankungen mit kombinierter Degenerationen der grauen sowie der weißen Hirnsubstanz, konnte ich die molekulare Ursache der cerebralen Folattransportdefizienz entschlüsseln. Folate, auch als Vitamin B9 bezeichnet, sind essentielle Nahrungsbestandteile, die über den Blutkreislauf in verschiedene Organe, u.a. das Gehirn, transportiert werden. Die Zellen des Zentralnervensystems werden im Wesentlichen über den Liquor cerebrospinalis mit Folaten versorgt. Dazu werden Folate aktiv über den Plexus choroideus vom Plasma in den Liquor transportiert und vom Liquor in die Nervenzellen und Gliazellen aufgenommen. Mutationen im FOLRl-Gen verursachen den genetischen Defekt des Folattransports über die Blut-Liquor-Schranke und frühen im frühen Kleinkindesalter zu fortschreitende Bewegungsstörung, psychomotorischer Entwicklungsverzögerung und zerebralen Krampfanfällen. Im kraniellen MRT der Patienten zeigte sich eine Hypomyelinisierung und in der Magnetresonanzspektroskopie eine kombinierte Defizienz von Cholin und Inositol in der weißen Hirnsubstanz. Durch die eingehende klinische sowie molekulare Charakterisierung der cerebralen Folattransportdefizienz, wurde die zeitnahe Diagnosestellung dieser neurodegenerativen Erkrankung ermöglicht, die wiederum eine frühzeitige Behandlung und eine bessere Prognose ermöglicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Folate receptor alpha defect causes cerebral folate transport deficiency: a treatable neurodegenerative disorder associated with disturbed myelin metabolism. Am J Hum Genet, 85(3): 354-63, 2009
Steinfeld R, Grapp M, Kraetzner R, Dreha-Kulaczewski S, Helms G, Dechent P, Wevers R, Grosso S, Gärtner J
- RNASET2 deficient cystic leukoencephalopathy resembles congenital cytomegalovirus brain infection. Nat Genet 41(7): 773-5, 2009
Henneke M, Diekmann S, Ohienbusch A, Kaiser J, Engelbrecht V, Kohlschütter A, Krätzner R, Madruga-Garrido M, Mayer M, Opitz L, Rodriguez D, Rüschendorf F, Schumacher J, Thiele H, Thoms S, Steinfeld R, Nürnberg P, Gärtner J
- Structure of tripeptidyl-peptidase I provides insight into the molecular basis of late infantile neuronal ceroid lipofuscinosis. J Biol Chem 284 (6): 3976-84, 2009
Pal A, Kraetzner R, Gruene T, Grapp M, Schreiber K, Gronborg M, Urlaub H, Becker S, Asif A R, Gartner J, Sheldrick GM, Steinfeld R
- CLNIO; Cathepisn D deficiencies. In: Mole SE, Goebel H, Williams R, eds. The neuronal ceroid lipofuscinoses (Batten disease). 2nd ed. Amsterdam: lOS Press Book, 2010
Partanen S, Steinfeld R, Siintola E, Lehesjoki A-E, Strömme P, Tyynelä J
- Diagnostics and treatment of neuronal ceroid lipofuscinoses from the viewpoint of neuropediatricians. Ophthalmologe, 107(7): 616-20, 2010
Steinfeld R
- Novel CLN8-mutations reveal the clinical and ethnic diversity of late infantile neuronal ceroid lipofuscinosis. Clin Genet, 77: 79-85, 2010
Reinhardt K, Grapp M, Schlachter K, Brück W, Gärtner J, Steinfeld R
- Identification and characterization of an inborn error of metabolism caused by dihydrofolate reductase deficiency. Am J Hum Genet, 88: 216-25, 2011
Banka S, Blom H, Walter J, Aziz M, Urquhart J, Clouthier CM, Rice Gl, de Brouwer APM, Hilton E, Vassallo G, Will A, Smith DEC, Smulders YM, Wevers RA, Steinfeld R, Heales S, Crow YJ, Pelletier JN, Jones S, Newman WG
