Elektrophysiologische Charakterisierung der Locus coeruleus Neuronen von Parkin-Knockout Mäusen mit Hilfe der Patch-Clamp-Technik
Die Parkinson-Erkrankung (engl. Parkinson‘s Disease) gilt als zweit häufigste neurodegenerative Erkrankung weltweit nach der Alzheimer-Erkrankung. Die Hälfte aller autosomal-rezessiv vererbten Fälle familiärer Parkinson-Erkrankungen (PK) kann auf Funktionsverlustmutationen des Parkin-Gens, sogenannt...
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Format: | Doctoral Thesis |
Language: | German |
Published: |
Philipps-Universität Marburg
2021
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Summary: | Die Parkinson-Erkrankung (engl. Parkinson‘s Disease) gilt als zweit häufigste neurodegenerative Erkrankung weltweit nach der Alzheimer-Erkrankung. Die Hälfte aller autosomal-rezessiv vererbten Fälle familiärer Parkinson-Erkrankungen (PK) kann auf Funktionsverlustmutationen des Parkin-Gens, sogenannte PARK2-Mutationen, zurückgeführt werden. Typischerweise manifestiert sich jene hereditäre PK-Form bereits vor dem 40. Lebensjahr und wird somit als Early-Onset PK bezeichnet. Das Enzym Parkin, welches durch PARK2 kodiert wird, besitzt die Funktion einer E3-Ubiquitin-Protein-Ligase, welche in zentralen Neuronen eine Bandbreite von Proteinen durch Ubiquitin-Konjugation markiert. Durch unterschiedliche Arten der Ubiquitin-Konjugation werden unter anderem fehlgefaltete und beschädigte Proteine dem Abbau im Proteasom zugeführt. Zudem erfolgt die Regulation einer Bandbreite zellulärer Signal- und Stoffwechselwege durch Ubiquitylierung, wodurch Parkin auf vielfältige Art und Weise einen neuroprotektiven Effekt vermittelt. Der funktionelle Parkin-Verlust triggert mitochondriale Dysfunktion und Neuroinflammation in vulnerablen Neuronen. Eine eindeutige Erklärung auf molekularer Ebene, weshalb selektive Neuronenpopulationen intrinsisch gesteigerte Vulnerabilität gegenüber Degeneration im Rahmen der PK besitzen, konnte bisher nicht gefunden werden. Diverse für hohe mitochondriale oxidative Stresslevel prädisponierende Faktoren wurden bereits in einer Reihe von Arbeiten diskutiert. Hierzu zählt eine multifaktoriell ausgelöste gestörte Calciumhomöostase, welche im Kontext pathologischer Bedingungen oxidativen Stress provoziert. In der Literatur wird der E3-Ubiquitin-Ligase Parkin eine Schlüsselrolle im Rahmen der zellulären Calciumhomöostase adressiert. Diese Hypothese konnte anhand von Ubiquitylom-Analysen muriner Parkin-Knockout Gehirne unterstützt werden, im Zuge dessen vorrangig Proteine der Calciumhomöostase: Hippocalcin, ATP1A2 und GNA11, eine Dysregulation zeigten. Genannte Parkin-Substrate modulieren calciumabhängig die Generierung und die Form von Aktionspotentialen zentraler Neurone. Aus diesen Erkenntnissen ergibt sich die Frage nach funktionellen Konsequenzen des Parkin-Verlustes auf molekularer Ebene. Aufgrund der begünstigten Vulnerabilität von Locus coeruleus (LC) -Neuronen für parkinson-spezifische pathologische Veränderungen, ist davon auszugehen, dass phänotypische Veränderungen frühzeitig in jener pontin gelegenen Neuronenpopulation zu registrieren sind. Folglich wurden im Rahmen der zugrunde liegenden Arbeit murine LC-Neurone mit Knockout (KO) des Parkin-Gens anhand von Patch-Clamp Messungen in akuten Hirnstammschnitten analysiert. Es erfolgte der Vergleich 6 Monate alter juveniler und 12 Monate alter adulter LC-Neurone in Hirnstammschnitten von Wildtyp (WT)- Mäusen mit LC-Neuronen von Parkin-KO Mäusen. Ziel war es die komplexe Rolle des Parkins im Kontext der PK-Pathogenese zu entschlüsseln. In der Tat spiegelte sich die gestörte Calciumhomöostase in progressiven Veränderungen der intrinsischen Schrittmacheraktivität muriner Parkin-KO LC-Neurone wider. Während die intrinsische Aktivität der LC-Neurone juveniler Mäuse keine Veränderung zeigte, unterschieden sich die LC-Neurone adulter Parkin-KO Mäuse durch eine signifikant beschleunigte Feuerfrequenz. Whole-Cell Current-Clamp Ableitungen ließen zudem eine signifikant verkürzte Aktionspotentialdauer in LC-Neuronen juveniler und adulter Parkin-KO Mäuse erkennen. In adulten Parkin-KO LC-Neuronen zeigte sich außerdem eine signifikant verminderte Amplitude der Nachhyperpolarisation (NHP). Juvenile Parkin-KO LC-Neurone hingegen unterschieden sich durch ein positiveres Schwellenpotential von juvenilen WT LC-Neuronen, während in adulten Mäusen keine Unterschiede des Schwellenpotentials zu erkennen waren. Unauffällige Ergebnisse im Rahmen der Whole-Cell Voltage-Clamp Messungen von Kalium- und Calciumströmen lassen darauf schließen, dass die veränderte Schrittmacheraktivität in Parkin-KO LC-Neuronen nicht aus einer gestörten Expression oder Dysfunktion spezifischer Kalium- oder Calciumkanäle hervorgeht. Unter Berücksichtigung der Interaktion zwischen in Parkin-KO Gewebe akkumuliertem Hippocalcin und spannungsabhängigen KCNQ-Kanälen, erfolgte zudem die pharmakologische Isolation KCNQ-getragener Kaliumströme, durch Applikation des selektiven Blockers HMR1556. Auch KCNQ-getragene Kaliumströme verhielten sich in Parkin-KO LC-Neuronen unverändert. Die Ergebnisse der Stromanalysen deuten darauf hin, dass das beschleunigte Feuerverhalten muriner Parkin-KO LC-Neurone am ehesten auf eine veränderte Calcium-abhängige Erregbarkeit der Plasmamembran zurückzuführen ist, hervorgerufen durch verminderten Umsatz von Parkin-Substraten wie ATP1A2 und Hippocalcin. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen zum besseren Verständnis der gesteigerten Vulnerabilität monoaminerger Neurone durch eine veränderte Calciumhomöostase und des selektiven Neuronenuntergangs im Kontext der PK beitragen. |
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Physical Description: | 139 Pages |
DOI: | 10.17192/z2022.0174 |