The psychiatric risk gene Cacna1c regulates mitochondrial function in cellular stress responses

Affective disorders such as major depression and bipolar disorder are among the most prevalent forms of mental illness, and their pathophysiology involves complex interactions between genetic and environmental risk factors. However, the underlying mechanisms explaining how genetic and environmental...

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Main Author: Michels, Susanne
Contributors: Culmsee, Carsten (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2018
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Affektive Störungen wie schwere Depressionen und bipolare Störungen gehören zu den häufigsten Formen psychischer Erkrankungen. Ihre Pathophysiologie beruht auf komplexen Wechselwirkungen zwischen genetischen und umweltbedingten Risikofaktoren. Wie genetische und umweltbedingte Veränderungen das Risiko für psychiatrische Erkrankungen auf molekularer Ebene beeinflussen, ist jedoch noch weitgehend ungeklärt. Mehrere genomweite Assoziationsstudien (GWAS) der letzten zehn Jahre zeigen eindeutig, dass CACNA1C zu den bedeutendsten neuropsychiatrischen Risikogenen zählt. Neben genetischen Prädispositionen tragen auch Umwelteinflüsse wie Misshandlung in der Kindheit oder chronischer Stress zu einer erhöhten Krankheitsanfälligkeit bei. Darüber hinaus gibt es in letzter Zeit vermehrt Hinweise darauf, dass mitochondriale Dysfunktion, oxidativer Stress, Exzitotoxizität und Neuroinflammation bei der Entwicklung psychiatrischer Störungen eine entscheidende Rolle spielen. Zudem werden mitochondriale Funktionsstörungen in peripheren mononukleären Blutzellen (PBMCs) derzeit als potentieller Biomarker für affektive Störungen diskutiert, die eine frühe Diagnose, eine Beurteilung des Krankheitsverlaufs und die Bewertung des Ansprechens auf eine Behandlung unterstützen sollen. Mit Hilfe eines translationalen Ansatzes, beschäftigte sich die vorliegende Arbeit mit den Auswirkungen definierter Gen-Umwelt-Interaktionen auf die Integrität und Funktion von Mitochondrien in Neuronen und Mikrogliazellen, um tiefere Einblicke in pathophysiologische Mechanismen affektiver Störungen zu gewinnen und neue therapeutische Zielstrukturen mit potentieller Relevanz für zukünftige Behandlungsstrategien zu identifizieren. In immortalisierten hippokampalen HT22 Mauszellen, einem etablierten Modellsystem zur Untersuchung von Glutamat-vermitteltem oxidativem Stress, konnten durch Cacna1c-Inhibition auf mitochondrialer wie auch auf zellulärer Ebene protektive Effekte aufgezeigt werden. Sowohl Cacna1c Knockdown als auch die Blockade von L-Typ-Calciumkanälen (LTCC) mit Nimodipin hemmten den Glutamat-induzierten Anstieg der Lipidperoxidation, die übermäßige Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), den Abfall des mitochondrialen Membranpotentials, den Verlust an ATP, die Verringerung der mitochondrialen Atmung und letztlich auch den neuronalen Zelltod. Darüber hinaus führten Cacna1c „Gen-Silencing“ sowie pharmakologische LTCC-Hemmung zu einer veränderten CaV1.2-abhängigen Regulation der Gentranskription, wodurch die Expression des mitochondrialen Calcium-Uniporters (MCU) nach Glutamatschädigung signifikant unterdrückt wurde. Dies führte in den Cacna1c-defizienten Zellen auch zu einem deutlich verminderten Calciumanstieg in den Mitochondrien nach Glutamatexposition. Im verwendeten Modell der oxidativen Glutamattoxizität schützte die siRNA-vermittelte Cacna1c Depletion auch vor mitochondrialer Fragmentierung und stimulierte die mitochondriale Biogenese, ohne sich auf die Mitophagie auszuwirken, wodurch der mitochondriale Umsatz gefördert und die Akkumulation dysfunktionaler Mitochondrien in neuronalen HT22-Zellen vermindert wurde. Dies deutet darauf hin, dass die Effekte vorgeschalteter genetischer Modifikationen, wie zum Beispiel einer reduzierten CACNA1C Expression, konvergieren und sich auf die mitochondrialen Funktionen auswirken, was zu einer erhöhten zellulären Resilienz gegen oxidativen Stress beiträgt. In primären kortikalen Rattenneuronen reduzierte der heterozygote Cacna1c Knockout die Proteinexpression auf etwa die Hälfte der Wildtyp-Level. Nach Glutamat-vermittelter Exzitotoxizität war jedoch weder ein Einfluss auf den initialen Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration noch auf die zeitverzögerten Störungen der mitochondrialen Bioenergetik, der ATP Spiegel oder der Zellviabilität nachzuweisen. Ferner unterlagen die Cacna1c mRNA- und Proteinexpressionsspiegel in diesem Modell der neuronalen Exzitotoxizität starken Regulations- und Abbaumechanismen. Dagegen unterstreicht die partielle Neuroprotektion gegen Glutamattoxizität durch pharmakologische LTCC-Blockade mit Dihydropyridinen eine mögliche Dosis-Wirkungs-Abhängigkeit und die Beteiligung von LTCCs im Glutamat-vermittelten exzitotoxischen Zelltod. In primären Mikroglia-Kulturen der Ratte waren Cacna1c Haploinsuffizienz sowie Nimodipin-Behandlung assoziiert mit reduzierten morphologischen Veränderungen und einer abgeschwächten glykolytischen Aktivität nach Lipopolysaccharid (LPS)-Stimulation. Darüber hinaus scheint die LPS-induzierte Verschiebung vom oxidativen Metabolismus hin zur Glykolyse für die weitere Entzündungsreaktion essenziell zu sein, da zusätzlich eine verminderte Freisetzung von NO, IL-1α, IL-1β, IL-6, IL-10 und TNF-α sowohl in heterozygoten Cacna1c als auch in Nimodipin-behandelten Mikrogliazellen beobachtet wurde. Diese Ergebnisse weisen auf eine wichtige funktionelle Rolle CaV1.2-abhängiger Signalwege in der pro-inflammatorischen Aktivierung der Mikroglia als zellulärer Bestandteil der angeborenen Immunität im zentralen Nervensystem hin. Durch die Simulation krankheitsrelevanter Interaktionen genetischer und umweltbedingter Faktoren im Tiermodell wurden in dieser Studie zudem ihre potentiellen Effekte auf die Funktion zerebraler Mitochondrien evaluiert. Dies wurde mithilfe konstitutiv heterozygoter Cacna1c Ratten realisiert, welche während der juvenilen Entwicklungsphase für vier Wochen entweder in sozialer Isolation, unter Standardbedingungen oder in sozial und materiell angereicherter Umgebung gehalten wurden. Allerdings zeigten isolierte Mitochondrien sowohl aus dem präfrontalen Cortex als auch aus dem Hippocampus keine wesentlichen Unterschiede zwischen den untersuchten Gen-Umwelt Kohorten im Hinblick auf die mitochondriale Bioenergetik, die Proteinkomplexe der Atmungskette, die Superoxidproduktion und das Membranpotential. In einem weiteren Teil dieser Studie wurde an humanen PBMCs aus der MACS (Marburg/Münster Affective Disorders Cohort Study) Kohorte gezeigt, dass weder eine familiäre Vorgeschichte psychischer Störungen noch die Erfahrung von Misshandlung in der Kindheit einen signifikanten Effekt auf mitochondriale ROS Level und Parameter der mitochondrialen Respiration in PBMCs gesunder weiblicher Probanden hatte. Hierzu sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die frühen pathologischen Mechanismen besser zu verstehen, die neuropsychiatrischen Erkrankungen zugrunde liegen. Insgesamt deuten die vorliegenden Forschungsergebnisse darauf hin, dass das durch GWAS ermittelte psychiatrische Risikogen CACNA1C eine zentrale Rolle in der Regulation mitochondrialer Integrität und Funktion spielt und so auch neuroinflammatorische Signalwege und die Resilienz gegen oxidativen Stress beeinflusst. Diese Arbeit trägt damit zu einem besseren Verständnis der intrazellulären Prozesse bei, die vermutlich an der Pathophysiologie von CACNA1C-assoziierten Erkrankungen beteiligt sind. Die Modulation zerebraler LTCC könnte somit eine therapeutische Option bei psychiatrischen Störungen darstellen, die sowohl durch neuronale Atrophie als auch durch Entzündungsprozesse gekennzeichnet sind.