Freuden und Tücken der Biomedizinischen Forschung
Gerhild van Echten-Deckert
Tel. 73 2703E-mail: [email protected]
03.12.2018
1906: 37. Versammlung südwestdeutscher Irrenärzte in TübingenAlois Alzheimer berichtet über “eine eigenartige Erkrankung der Hirnrinde”Auguste D.
2010: World Alzheimer Report 2010AD häufigste neurodegenerative Erkrankung 35,6 Mill. Demenzkranke weltweit2030: 65,7 Mill. 2050: 115,4 Mill. Kosten weltweit: 604 Md. USD
2016: World Alzheimer Report 20162016: 47,0 Mill. Demenzkranke weltweit2050: > 131 Mill. Kosten weltweit 2016: 818 Md. USD
“Miliare Herdchen, die über die ganze Rinde zerstreut sind und die durch die Einlagerungeines eigenartigen Stoffes in die Hirnrinde bedingt sind.”
2. Auffälligkeit
Images C & D are from Holtzman et al. Sci Transl. Med. 2011, 3, 1-17
“Sehr merkwürdige Veränderungen der Neurofibrillen, die sich zu dicken Bündeln zusammenlegen.”
3. Auffälligkeit
ohcm.oxfordmedicine.com/.../graphic10017.jpeg
Die von Alzheimer beschriebenen Auffälligkeiten und deren Bedeutung für die spätere Forschung
BAP-tisten:Senile (neuritische) Plaques (extrazelluläreAblagerungen von -Amyloid Peptid)
TAU-isten:Neurofibrilläre Bündel (intrazelluläre Neuro-fibrillenbündel aus hyper-phosphoryliertem TAU)
Auftreten der Alzheimer Demenz
Früher Beginn: Tritt vordem 66. Lebensjahr auf, (Early Onset AD) meist zw. 40. und 50. Lebensjahr
(< 5%)
Familiäre AD (FAD): Tritt häufiger in bestimmten Familien auf, oft(ca 0,5%) bei einem od. mehreren Mitgliedern der nach-
folgenden Generation.
Später Beginn: Tritt nach dem 66. Lebensjahr auf (Late Onset AD)
Sporadische AD Tritt ohne erkennbares Muster, in einer (>95%) anscheinend zufälligen Verteilung innerhalb
der Bevölkerung auf.
An der Alzheimer Krankheit beteiligte Gene
Gen Chromosom Gendefekt Erkrankungsalter Anteil WirkungMissense (Jahre) an AD-FällenMutationen insgesamt
FAD-Gene
APP 21 17/5 dup 43 - 62 0,07 %
PS1 14 155 33 - 60 0,4 %erhöhte
PS2 1 8 44 – 77 0,02 % Menge anβ-Amyloid im Gehirn
Risiko-Gene Prädispositionsform
APOE 19 ε4-Allel 40 – 30 – 60 %
Hauptrisikofaktor der Alzheimer Krankheit:Lebensalter!
Entstehen im Alter zunehmend senile Plaques ?
Sämtliche β-Amyloid-ausgerichtetenTherapieansätzescheiterten in der klinischen Phase III!
Price et al. Nature Genetics 1998
Sind möglicherweise ganz andere Gründe für den Ausbruch der Sporadischen AD (LOAD) kausativ????
Das Gehirn ist nach dem Fettgewebe das fettreichste Organ des Menschen
Erbliche Störungen im Stoffwechsel dieser „Gehirn-Fette“führen bei Mensch und Tier oft zu tödlichen Krankheiten
Sphingolipide - Struktur
Sphingosin
HO
NH2
OH
Ceramid
HO
HN
OH
O
Ceramid
Gangliosid GM1
OH
HOOH
O
OHO
OH
OHHOO
O
AcHNO
OH
OOH
O
O
OHOH
O
OH
O
HOOC
HOOH
HO
CH3
HN CH3
O
OHAcHN
Sphingomyelin
O CH3
HN CH3
O
OHPON
OOCH3
H3CH3C
Ceramide
Sphingolipide bilden zelltyp-spezifische Muster
Sulfatide
GalCer
GM3
GM2
GM1GD3GD1aGD1bGT1b
GlcCer
LacCer
Gbose3CerGbose4Cer
Microglia
Myelinscheide
Axon
NeuronMuskel faser
Oligodendrozyten
Astrozyten
Neuronen
Endothelzellen
van Echten-Deckert & Herget, BBA 2006
Ceramide
Serine + Palmitoyl-CoA
Sphinganine
DihydroceramideDesaturase
Sphingosine
SphingomyelinGlycosphingolipids
PhosphataseS1P
Kinase Ethanolamine-phosphate
+Hexadekenal
Lyase
Apoptosis
Proliferation
The ceramide/S1P-rheostat in cell growth regulation
Always applicable?
cis-4-Methylsphingosine (cimes) is a synthetic prodrug for a metabolically stable S1P-analogue
cis-4-Methylsphingosine
OH
van Echten –Deckert et al. JBC 1997Nätzker et al., Biol Chem, 2002Nätzker et al., Genes Cells, 2006
CH3
HONH2
OH
Sphingosine HONH2
P
P
Ceramide
N-acyl-derivative//S132P
C Ccimes cimes
1 h 24 h
cimes32P
Ceramide
Serine + Palmitoyl-CoA
Sphinganine
DihydroceramideDesaturase
Sphingosine
SphingomyelinGlycosphingolipids
PhosphataseS1P
Kinase Ethanolamine-phosphate
+Hexadekenal
Lyase
Apoptosis
Proliferation
cis-4-MethylSo P
Proliferation Apoptosis
Swiss-3T3fibroblasts
neuronsneuroblastoma
van Echten –Deckert et al. JBC 1997van Echten-Deckert et al. JBC 1998Nätzker et al. Biol Chem 2002
cis-4-Methylsphingosine (cimes) is a synthetic prodrug for a metabolically stable S1P-analogue
Lyase-deficient mice
Ethanolamine-phosphate
+Hexadekenal
LyaseSphingosine
SphingomyelinGlycosphingolipids
PhosphataseS1P
Kinase
Ceramide
Generated by Paul van Veldhoven, Leuven, Belgium
Characteristics:Smaller size of pupsLife span: nursing period (usually 4-6 weeks)Breeding with +/- mice
-/-
+/+
S1P
Age: 6 weeks
Age: 6 days
+/+
+/-
-/-
S1P induces apoptosis in lyase-deficient primary cultured cerebellar neurons
+/+ -/-+/-
+/+ +/- -/-cyclin D1
-tubulin
12h
0
20
40
60
80
100
120vi
abili
ty (%
of +
/+)
+/+ +/- -/-
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
casp
ase
activ
ity(r
elat
ive
to +
/+)
+/+ +/- -/-
Hagen et al, JBC 2009
Effects of sphingoid bases on neuronal morphologyCorrelation with the apoptotic effect
-/-: S1P-lyase deficient neurons
cimes SphS1P
cimesPapoptotic
SK2
S1PS1Papoptotic
SK2
S1PSphSK1
PM
ER
The subcellular origin of S1P is essential for its neurotoxic effect
SPP
(LPP?)
Hagen et al, JBC 2009
Caspase-9 Caspase-3
neuronal apoptosis
p35 p25 CDK5 Rb
Z-LEHD-FMK
Caspase-12
tau P
ER-stress
intracellular
P
extracellular
Ca2+
cell cycle reactivation
Calpain
SK2MDL
MDL
ER
cimescimesP
cimes
S1P
SPP
Sph
S1P
SK2
Summary
Hagen et al, Cell Death Differ, 2011
Pathophysiological Relevance of S1P-Lyase ???
Correlation between S1P-lyase expression and neuronal apoptosis
Bars correspond to 50 µm
Hagen et al, Cell Death Differ, 2011
• S1P löst in Nervenzellen ein Selbstmordprogramm aus • Die Neurotoxizität von S1P ähnelt auf molekularer Ebene jener von -Amyloid und wird von den gleichen Faktoren vermittelt• S1P verursacht die für Morbus Alzheimer charakteristischen Veränderungen im Tau Protein•S1P begünstigt den amyloidogenen Stoffwechselweg vom Alzheimer Vorläuferprotein APP, der zur Bildung von senilen Plaques führt• S1P bewirkt im Cholesterolstoffwechsel die gleichen Veränderungen wie Alzheimer-begünstigende Bedingungen
Was spricht für eine Rolle von S1P bei der Entstehung von Morbus Alzheimer
Kritikpunkt: Mäuse sterben jung!
Lösung: Gehirn-spezifische Inaktivierung derS1P-lyase
Schematic of the Floxed S1PL Allele
* co-factor (PLP) binding site
floxed, Sgpl1flx/flx mice: Julie Saba, Oakland, CA, USA
Bonn: crossbreeding with the nestin-Cre transgenic mouse line Nes-Cre1
floxed, Sgpl1flx/flx
Conditional Knockdown of S1PL in Brains of 4-Weeks-Old Mice
RT-PCR
f/+ f/f f/+ cre
f/f /cre
Immunoblotcustomized AB
(Julie Saba)
Conditional Knockdown of S1PL in Murine Brain Does not Affect Life Span
Wt (n=5),f/f Nestin/Cre (n=4)total KO (n=3)
•Die gezielte Manipulation des S1P-Gehalts im Maus Gehirn beeinträchtigt vor allem präsynaptische Bereiche (möglicherweise durch Veränderungen der Autophagie und des Proteasomalen Systems).Wirkung auf Lernen und Gedächtnis?
Mitroi et al., Sci Rep 2016
Deficits in spatial learning and memory in SGPL1fl/fl/Nes mice
I have been searching my escape platform for quite
sometime!!!!
Control
Oh - I don’t remember or
recall anything!!!!
Lyase deficient mouse
http://www.nature.com/nrn/journal/v9/n1/fig_tab/nrn2297_F2.html
Activity during test(activity during test + activity during baseline).
Contextual fear-conditioning
120, 182 and 244 sec
CONCLUSIONS AND OUTLOOK
Targeted deletion of S1P-lyase in the brain affects:
- proteasomal and autophagic activity- expression of presynaptic proteins- APP processing- astrogliosis- short term synaptic plasticity
- learning and memory
Open questions:- how is S1P-Lyase activity linked to these changes- who is the culprit: S1P or sphingosine?