Annonacin, a Natural Complex I Inhibitor of the Mitochondrial Respiratory Chain, causes Tau Pathology in Cultured Neurons.

Unter dem Begriff Tauopathien fasst man eine Gruppe chronisch progredienter neurodegenerativer Erkrankungen zusammen, die durch abnorme Akkumulation von hyperphosphoryliertem Tau Protein im Perykarion neuraler Zellen gekennzeichnet sind. Tau gehört zur Familie der axonalen Mikrotubuli-assoziierten P...

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1. Verfasser: Escobar Khondiker, Myriam
Beteiligte: Oertel, Wolfgang (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Englisch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2007
Medizin
Schlagworte:
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topic Tau-Protein
Atypical parkinsonism
Mitochondrium
Medizin, Gesundheit
spellingShingle Tau-Protein
Atypical parkinsonism
Mitochondrium
Medizin, Gesundheit
Tauopathy is the name given to a group of chronic progressive neurodegenerative disorders that share a common defining denominator, the accumulation of abnormally phosphorylated tau protein in the cytoplasm of neural cells. Tau belongs to the microtubule-associated protein family and is implicated in the stabilisation of microtubules and regulation of axonal transport. A particular tauopathy endemic to the Caribbean island of Guadeloupe has been associated with the consumption of Annonaceae plants that contain annonacin, the most abundant acetogenin, a family of potent lypophilic inhibitors of complex I of the mitochondrial respiratory chain. Previous experimental work has demonstrated the following: 1) Chronic systemic exposure of rats to annonacin induces neuronal cell loss in the brain in a similar pattern to what is observed in the brains of the Guadeloupean patients that have come to autopsy. 2) Annonacin causes concentration-dependent cell death in mesencephalic cultures by depleting cellular energy. To test the hypothesis that annonacin contributes to the aetiology of the human disease, we investigated, in vitro, whether if annonacin affects the phosphorylation state and the cellular distribution of the tau protein and the underlying mechanisms. We found that in primary cultures of rat striatal neurons treated for 48 hours with annonacin, there was concentration-dependent redistribution of tau from the axons to the cell body. The redistributed tau was phosphorylated on several epitopes, as evidenced by phospho-specific antibodies. Complex I inhibition, the molecular mechanism of action of annonacin, has two major primary consequences, 1) an increase in oxidative stress and 2) a decrease in ATP levels. Although radical-scavengers (NAC, Trolox) neutralized the annonacin-induced radical oxygen species, they did not prevent the redistribution of tau. In contrast, stimulation of energy production via anaerobic glycolysis did, suggesting that the somatic redistribution of phosphorylated tau resulted from annonacin-induced energy depletion rather than from oxidative stress. This concept was strengthened by the observation that other energy-depleting neurotoxins (MPP+, 3-NP) also induced somatic accumulation of phosphorylated tau. An electron-microscopic analysis demonstrated there was also a significant accumulation of mitochondria in the cytoplasm of annonacin-intoxicated neurons. About 30% of the phopshorylated tau in the cytoplasm appeared ultrastructurally attached to the outer mitochondrial membrane. Videomicroscopy of living cells demonstrated that annonacin rapidly induced a comprehensive retrograde transport of mitochondria from the neurites to the neuronal soma. We concluded that the annonacin-induced somatic accumulation of tau and mitochondria were functionally linked, since we observed that taxol, a drug that stabilises microtubules and displaces tau, fully blocked the retrograde transport of mitochondria and somatic accumulation of phosphorylated tau. Finally, we found that annonacin led to a depletion of tau protein in axons, which in turn lead to the breakdown of microtubules, as evidenced ultrastructurally. Thus, annonacin appears to induce somatic accumulation of phosphorylated tau by retrograde axonal transport and to impair the axonal integrity. Together, these data suggest that annonacin is capable of inducing changes in the phosphorylation state and intracellular distribution of the microtubule-associated protein tau in a way that has been observed in the human diseases. Therefore, these observations strengthen the hypothesis that regular consumption of Annonaceous plants might be implicated in the aetiology of the Guadeloupean tauopathy.
Annonacin, a Natural Complex I Inhibitor of the Mitochondrial Respiratory Chain, causes Tau Pathology in Cultured Neurons.
Escobar Khondiker, Myriam
institution Medizin
publisher Philipps-Universität Marburg
author2 Oertel, Wolfgang (Prof. Dr.)
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contents Tauopathy is the name given to a group of chronic progressive neurodegenerative disorders that share a common defining denominator, the accumulation of abnormally phosphorylated tau protein in the cytoplasm of neural cells. Tau belongs to the microtubule-associated protein family and is implicated in the stabilisation of microtubules and regulation of axonal transport. A particular tauopathy endemic to the Caribbean island of Guadeloupe has been associated with the consumption of Annonaceae plants that contain annonacin, the most abundant acetogenin, a family of potent lypophilic inhibitors of complex I of the mitochondrial respiratory chain. Previous experimental work has demonstrated the following: 1) Chronic systemic exposure of rats to annonacin induces neuronal cell loss in the brain in a similar pattern to what is observed in the brains of the Guadeloupean patients that have come to autopsy. 2) Annonacin causes concentration-dependent cell death in mesencephalic cultures by depleting cellular energy. To test the hypothesis that annonacin contributes to the aetiology of the human disease, we investigated, in vitro, whether if annonacin affects the phosphorylation state and the cellular distribution of the tau protein and the underlying mechanisms. We found that in primary cultures of rat striatal neurons treated for 48 hours with annonacin, there was concentration-dependent redistribution of tau from the axons to the cell body. The redistributed tau was phosphorylated on several epitopes, as evidenced by phospho-specific antibodies. Complex I inhibition, the molecular mechanism of action of annonacin, has two major primary consequences, 1) an increase in oxidative stress and 2) a decrease in ATP levels. Although radical-scavengers (NAC, Trolox) neutralized the annonacin-induced radical oxygen species, they did not prevent the redistribution of tau. In contrast, stimulation of energy production via anaerobic glycolysis did, suggesting that the somatic redistribution of phosphorylated tau resulted from annonacin-induced energy depletion rather than from oxidative stress. This concept was strengthened by the observation that other energy-depleting neurotoxins (MPP+, 3-NP) also induced somatic accumulation of phosphorylated tau. An electron-microscopic analysis demonstrated there was also a significant accumulation of mitochondria in the cytoplasm of annonacin-intoxicated neurons. About 30% of the phopshorylated tau in the cytoplasm appeared ultrastructurally attached to the outer mitochondrial membrane. Videomicroscopy of living cells demonstrated that annonacin rapidly induced a comprehensive retrograde transport of mitochondria from the neurites to the neuronal soma. We concluded that the annonacin-induced somatic accumulation of tau and mitochondria were functionally linked, since we observed that taxol, a drug that stabilises microtubules and displaces tau, fully blocked the retrograde transport of mitochondria and somatic accumulation of phosphorylated tau. Finally, we found that annonacin led to a depletion of tau protein in axons, which in turn lead to the breakdown of microtubules, as evidenced ultrastructurally. Thus, annonacin appears to induce somatic accumulation of phosphorylated tau by retrograde axonal transport and to impair the axonal integrity. Together, these data suggest that annonacin is capable of inducing changes in the phosphorylation state and intracellular distribution of the microtubule-associated protein tau in a way that has been observed in the human diseases. Therefore, these observations strengthen the hypothesis that regular consumption of Annonaceous plants might be implicated in the aetiology of the Guadeloupean tauopathy.
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description Unter dem Begriff Tauopathien fasst man eine Gruppe chronisch progredienter neurodegenerativer Erkrankungen zusammen, die durch abnorme Akkumulation von hyperphosphoryliertem Tau Protein im Perykarion neuraler Zellen gekennzeichnet sind. Tau gehört zur Familie der axonalen Mikrotubuli-assoziierten Proteine. Die physiologische Funktion von Tau ist die Stabilisierung von Mikrotubuli und die Regulation axonaler Transportvorgänge. Eine neurodegenerative Tauopathie, die auf der karibischen Insel Guadeloupe endemisch ist, wurde epidemiologisch mit dem Konsum von Annonaceae-Pflanzen assoziiert. Diese enthalten Annonacin, den prototypischen Vertreter der Substanzklasse der Acetogenine, einer Gruppe von lipophilen Inhibitoren von Komplex I der Atmungskette. Vorausgehende experimentelle Arbeiten unserer Arbeitsgruppe konnten folgendes zeigen: Chronische systemische Behandlung von Ratten mit Annonacin führt zu Nervenzellverlust im Gehirn in einem Verteilungsmuster, wie es bei den Patienten auf Guadeloupe in postmortem Untersuchungen gefunden wurden. Annonacin führt durch Energie-Verarmung in Konzentrations-abhängiger Weise zu Zelltod in mesenzephalen Kulturen. Zur weiterführenden Überprüfung der Hypothese, dass Annonacin kausal an der Ätiologie der Erkrankung auf Guaedloupe beteiligt ist, untersuchten wir, ob Annonacin die Phosphorylierung und die intrazelluläre Verteilung des Tau Proteins beeinflusst. Wir fanden, dass eine 48-stündige Behandlung von primären Nervenzellen aus dem Striatum embryonaler Ratten in vitro mit Annonacin zu einer Konzentrations-abhängigen Umverteilung von Tau aus dem Axon in das Perykarion führt. Das umverteilte Tau war an mehreren Epitopen phosphoryliert, wie durch Phospho-spezifische Antikörper nachgewiesen wurde. Der primäre molekulare Wirkmechanismus von Annonacin, die Inhibition von Komplex I, hat zwei primäre intrazelluläre Konsequenzen, nämlich erstens eine Zunahme von Sauerstoffradikalen und zweitens eine Abnahme der ATP-Konzentration. Obwohl Radikal-Fänger die Annonacin-induzierten Sauerstoffradikale neutralisieren konnten, verhinderten sie nicht die Redistribution von Tau. Dies wurde aber wohl verhindert durch eine Stimulation der ATP-Produktion via anaerobe Glycolyse. Diese Beobachtungen legen nahe, dass die Annonacin-induzierte Umverteilung von phosphoryliertem Tau nicht aus oxydativem Stress, sondern aus Energie-Verarmung resultiert. Diese Interpretation wurde unterstützt durch die Beobachtung, dass andere zu Energie-Verarmung führende Neurotoxine (MPP+, 3-NP) ebenfalls zu intrazellulärer Umverteilung von phosphoryliertem Tau führten. Eine Elektronen-mikroskopische Analyse zeigte, dass Annonacin auch zu einer Akkumulation von Mitochondrien im Perykarion von kultivierten Nervenzellen führt. Ca. 30% des phosphorylierten Tau im Zytoplasma erschien Elektronen-mikroskopisch an die äußere Membran von Mitochondrien gebunden. Video-Mikroskopie von lebenden Nervenzellen zeigte, dass Annonacin rasch zu einem umfassenden retrograden Transport von Mitochondrien aus den Neuriten in das Perykarion führte. Wir schlussfolgerten, dass die Annonacin-induzierte Umverteilung von Tau und Mitochondrien funktionell verknüpft sind, da Taxol, eine Substanz, die Microtubuli stabilisiert und Tau von Mikrotubuli verdrängt, sowohl den retrograden Transport von Mitochondrien als auch die Akkumulation von phosphoryliertem Tau im Perykarion vollständige blockierte. Schließlich fanden wir, dass Annonacin infolge der Tau-Umverteilung zu einer Tau-Verarmung in den Axonen und konsekutiv zu einer ultrastrukturell darstellbaren Destabilisierung von Mikrotubuli führte. Daher scheint Annonacin zu einer Akkumulation von phosphoryliertem Tau im neuronalen Perykarion durch retrograden axonalen Transport und zu konsekutiver axonaler Schädigung zu führen. In ihrer Gesamtheit legen diese Untersuchungen nahe, dass Annonacin in der Lage ist, Veränderungen im Phosphorylierung-Zustand und in der intrazellularen Verteilung des Mikrotubuli-assoziierten Proteins Tau in einer Weise zu verändern, wie sie charakteristisch für humane Erkrankungen vom Typ der Tauopathien ist. Daher untermauern diese Ergebnisse weiter die Hypothese, dass regelmäßiger Konsum von Annonaceae Pflanzen in der Tat an der Ätiologie der Tauopathie auf Guadeloupe beteiligt sein könnte.
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author Escobar Khondiker, Myriam
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spelling diss/z2007/0249 opus:1622 2007 2007-04-12 Annonacin, ein natürliches Hemmnis des Komplex-I der mitochondrischen Atmungskette, verursacht Tau Pathologie in kultivierten Neuronen. 2007-02-23 Tauopathy is the name given to a group of chronic progressive neurodegenerative disorders that share a common defining denominator, the accumulation of abnormally phosphorylated tau protein in the cytoplasm of neural cells. Tau belongs to the microtubule-associated protein family and is implicated in the stabilisation of microtubules and regulation of axonal transport. A particular tauopathy endemic to the Caribbean island of Guadeloupe has been associated with the consumption of Annonaceae plants that contain annonacin, the most abundant acetogenin, a family of potent lypophilic inhibitors of complex I of the mitochondrial respiratory chain. Previous experimental work has demonstrated the following: 1) Chronic systemic exposure of rats to annonacin induces neuronal cell loss in the brain in a similar pattern to what is observed in the brains of the Guadeloupean patients that have come to autopsy. 2) Annonacin causes concentration-dependent cell death in mesencephalic cultures by depleting cellular energy. To test the hypothesis that annonacin contributes to the aetiology of the human disease, we investigated, in vitro, whether if annonacin affects the phosphorylation state and the cellular distribution of the tau protein and the underlying mechanisms. We found that in primary cultures of rat striatal neurons treated for 48 hours with annonacin, there was concentration-dependent redistribution of tau from the axons to the cell body. The redistributed tau was phosphorylated on several epitopes, as evidenced by phospho-specific antibodies. Complex I inhibition, the molecular mechanism of action of annonacin, has two major primary consequences, 1) an increase in oxidative stress and 2) a decrease in ATP levels. Although radical-scavengers (NAC, Trolox) neutralized the annonacin-induced radical oxygen species, they did not prevent the redistribution of tau. In contrast, stimulation of energy production via anaerobic glycolysis did, suggesting that the somatic redistribution of phosphorylated tau resulted from annonacin-induced energy depletion rather than from oxidative stress. This concept was strengthened by the observation that other energy-depleting neurotoxins (MPP+, 3-NP) also induced somatic accumulation of phosphorylated tau. An electron-microscopic analysis demonstrated there was also a significant accumulation of mitochondria in the cytoplasm of annonacin-intoxicated neurons. About 30% of the phopshorylated tau in the cytoplasm appeared ultrastructurally attached to the outer mitochondrial membrane. Videomicroscopy of living cells demonstrated that annonacin rapidly induced a comprehensive retrograde transport of mitochondria from the neurites to the neuronal soma. We concluded that the annonacin-induced somatic accumulation of tau and mitochondria were functionally linked, since we observed that taxol, a drug that stabilises microtubules and displaces tau, fully blocked the retrograde transport of mitochondria and somatic accumulation of phosphorylated tau. Finally, we found that annonacin led to a depletion of tau protein in axons, which in turn lead to the breakdown of microtubules, as evidenced ultrastructurally. Thus, annonacin appears to induce somatic accumulation of phosphorylated tau by retrograde axonal transport and to impair the axonal integrity. Together, these data suggest that annonacin is capable of inducing changes in the phosphorylation state and intracellular distribution of the microtubule-associated protein tau in a way that has been observed in the human diseases. Therefore, these observations strengthen the hypothesis that regular consumption of Annonaceous plants might be implicated in the aetiology of the Guadeloupean tauopathy. 2011-08-10 urn:nbn:de:hebis:04-z2007-02496 Unter dem Begriff Tauopathien fasst man eine Gruppe chronisch progredienter neurodegenerativer Erkrankungen zusammen, die durch abnorme Akkumulation von hyperphosphoryliertem Tau Protein im Perykarion neuraler Zellen gekennzeichnet sind. Tau gehört zur Familie der axonalen Mikrotubuli-assoziierten Proteine. Die physiologische Funktion von Tau ist die Stabilisierung von Mikrotubuli und die Regulation axonaler Transportvorgänge. Eine neurodegenerative Tauopathie, die auf der karibischen Insel Guadeloupe endemisch ist, wurde epidemiologisch mit dem Konsum von Annonaceae-Pflanzen assoziiert. Diese enthalten Annonacin, den prototypischen Vertreter der Substanzklasse der Acetogenine, einer Gruppe von lipophilen Inhibitoren von Komplex I der Atmungskette. Vorausgehende experimentelle Arbeiten unserer Arbeitsgruppe konnten folgendes zeigen: Chronische systemische Behandlung von Ratten mit Annonacin führt zu Nervenzellverlust im Gehirn in einem Verteilungsmuster, wie es bei den Patienten auf Guadeloupe in postmortem Untersuchungen gefunden wurden. Annonacin führt durch Energie-Verarmung in Konzentrations-abhängiger Weise zu Zelltod in mesenzephalen Kulturen. Zur weiterführenden Überprüfung der Hypothese, dass Annonacin kausal an der Ätiologie der Erkrankung auf Guaedloupe beteiligt ist, untersuchten wir, ob Annonacin die Phosphorylierung und die intrazelluläre Verteilung des Tau Proteins beeinflusst. Wir fanden, dass eine 48-stündige Behandlung von primären Nervenzellen aus dem Striatum embryonaler Ratten in vitro mit Annonacin zu einer Konzentrations-abhängigen Umverteilung von Tau aus dem Axon in das Perykarion führt. Das umverteilte Tau war an mehreren Epitopen phosphoryliert, wie durch Phospho-spezifische Antikörper nachgewiesen wurde. Der primäre molekulare Wirkmechanismus von Annonacin, die Inhibition von Komplex I, hat zwei primäre intrazelluläre Konsequenzen, nämlich erstens eine Zunahme von Sauerstoffradikalen und zweitens eine Abnahme der ATP-Konzentration. Obwohl Radikal-Fänger die Annonacin-induzierten Sauerstoffradikale neutralisieren konnten, verhinderten sie nicht die Redistribution von Tau. Dies wurde aber wohl verhindert durch eine Stimulation der ATP-Produktion via anaerobe Glycolyse. Diese Beobachtungen legen nahe, dass die Annonacin-induzierte Umverteilung von phosphoryliertem Tau nicht aus oxydativem Stress, sondern aus Energie-Verarmung resultiert. Diese Interpretation wurde unterstützt durch die Beobachtung, dass andere zu Energie-Verarmung führende Neurotoxine (MPP+, 3-NP) ebenfalls zu intrazellulärer Umverteilung von phosphoryliertem Tau führten. Eine Elektronen-mikroskopische Analyse zeigte, dass Annonacin auch zu einer Akkumulation von Mitochondrien im Perykarion von kultivierten Nervenzellen führt. Ca. 30% des phosphorylierten Tau im Zytoplasma erschien Elektronen-mikroskopisch an die äußere Membran von Mitochondrien gebunden. Video-Mikroskopie von lebenden Nervenzellen zeigte, dass Annonacin rasch zu einem umfassenden retrograden Transport von Mitochondrien aus den Neuriten in das Perykarion führte. Wir schlussfolgerten, dass die Annonacin-induzierte Umverteilung von Tau und Mitochondrien funktionell verknüpft sind, da Taxol, eine Substanz, die Microtubuli stabilisiert und Tau von Mikrotubuli verdrängt, sowohl den retrograden Transport von Mitochondrien als auch die Akkumulation von phosphoryliertem Tau im Perykarion vollständige blockierte. Schließlich fanden wir, dass Annonacin infolge der Tau-Umverteilung zu einer Tau-Verarmung in den Axonen und konsekutiv zu einer ultrastrukturell darstellbaren Destabilisierung von Mikrotubuli führte. Daher scheint Annonacin zu einer Akkumulation von phosphoryliertem Tau im neuronalen Perykarion durch retrograden axonalen Transport und zu konsekutiver axonaler Schädigung zu führen. In ihrer Gesamtheit legen diese Untersuchungen nahe, dass Annonacin in der Lage ist, Veränderungen im Phosphorylierung-Zustand und in der intrazellularen Verteilung des Mikrotubuli-assoziierten Proteins Tau in einer Weise zu verändern, wie sie charakteristisch für humane Erkrankungen vom Typ der Tauopathien ist. Daher untermauern diese Ergebnisse weiter die Hypothese, dass regelmäßiger Konsum von Annonaceae Pflanzen in der Tat an der Ätiologie der Tauopathie auf Guadeloupe beteiligt sein könnte. Annonacin, a Natural Complex I Inhibitor of the Mitochondrial Respiratory Chain, causes Tau Pathology in Cultured Neurons. Annonacin, a Natural Complex I Inhibitor of the Mitochondrial Respiratory Chain, causes Tau Pathology in Cultured Neurons. Philipps-Universität Marburg ths Prof. Dr. Oertel Wolfgang Oertel, Wolfgang (Prof. Dr.) Escobar Khondiker, Myriam Escobar Khondiker Myriam
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