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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-72172
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2015/7217/


The role of cellular prion protein on exosomes in the molecular pathogenesis of Alzheimer's disease

Die Rolle des zellulären Prion Proteins auf Exosomen in der molekularen Pathogenese der Alzheimer Erkrankung

Falker-Gieske, Clemens

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Exosomen , Prion Protein , Alzheimer Erkrankung , PrP , TALEN
Freie Schlagwörter (Englisch): exosomes , prion protein , Alzheimer's disease , PrP , TALEN
Basisklassifikation: 42.13
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Glatzel, Markus (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.02.2015
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 02.04.2015
Kurzfassung auf Englisch: Alzheimer’s disease (AD) is a common neurodegenerative, progressive and fatal disorder and one of the leading causes of death in the elderly in western countries. According to the Amyloid Hypothesis, generation and deposition of amyloid beta (Aß) in the brain is correlated with disease initiation and progression. Aß, the aggregation-prone product of sequential proteolytic processing of the amyloid precursor protein, is released to the extracellular space. Small soluble pre-fibrillar Aß species show the most pronounced neurotoxic effects and Aß peptides of 42 amino acids length (Aß42) are thought to represent the major neurotoxic entity causing synaptic dysfunction, dendritic spine loss, and ultimately neuronal death. The molecular pathways leading to neurodegeneration in AD are not yet fully understood. Recent findings have highlighted the role of exosomes, small extracellular vesicles of endosomal origin, in promoting Aß fibrillization and uptake by microglial cells, thus extenuating disease progression in a murine AD model. Furthermore, the cellular prion protein (PrPC), a glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchored surface glycoprotein, highly expressed in neurons, was shown to bind oligomeric Aß42 with high affinity via its flexible N-terminus. It is widely accepted that membrane-attached PrPC is required for Aß-mediated synaptotoxicity and suppression of long term potentiation as well as toxic signaling via Fyn kinase activation.
To study the involvement of exosomal PrPC in molecular mechanisms of AD, a murine neuroblastoma Neuro 2a (N2a) Prnp knockout cell line was generated using transcription activator-like effector nucleases (TALENs). Using this cell line and its parental wild type cell line, as well as human SH-SY5Y neuroblastoma cells devoid of PrPC and SH-SY5Y cells transfected with PrPC, it was possible to demonstrate that PrPC is highly enriched on exosomes and that PrPC expression does not influence exosome size. Differences in exosome size however were detectable when comparing exosomes derived from N2a cell lines to SH-SY5Y exosomes irrespective of their PrPC content. Furthermore, it could be shown that binding of Aß42 to exosomes is largely facilitated by PrPC. It was previously described that neuronal exosomes accelerate Aß42 aggregation, which could be confirmed in this study. The data presented here point to exosomal PrPC as a main contributor in exosome driven Aß42 fibrillization. In the absence of PrPC, N2a exosomes did not alter Aß42 aggregation kinetics. This exosome induced Aß42 aggregation reduced neurotoxic effects on N2a cells imparted by oligomeric Aß42. In summary, the data acquired in this study suggest that PrPC on exosomes might play a central role in exosome-mediated protective effects in AD pathology, which raises interesting questions about potential therapeutic applications that could be addressed by examining the role of PrPC on exosomes in vivo.
Kurzfassung auf Deutsch: Alzheimer (AD, Alzheimer´s disease, Alzheimer-Erkrankung) ist eine weit verbreitete neurodegenerative, progressive und tödliche Erkrankung und eine der häufigsten Todesursachen älterer Menschen in der westlichen Welt. Gemäß der Amyloid-Hypothese korreliert Entstehung und Fortschreiten der Krankheit mit der Generierung und extrazellulären Ablagerung von Amyloid ß (Aß) Peptiden im Gehirn. Aß entsteht durch sequenzielle proteolytische Spaltung des Amyloidvorläuferproteins, wird in den extrazellulären Raum abgegeben und tendiert stark zur Aggregation. Kleine, lösliche pre-fibrilläre Aß Spezies mit einer Länge von 42 Aminosäuren (Aß42) weisen die stärksten neurotoxischen Eigenschaften auf und wurden mit synaptischer Dysfunktion, dem Verlust dendritischer Dornenfortsätze und letztendlich dem Niedergang von Neuronen in Verbindung gebracht. Die genauen molekularen Vorgänge, die zur Neurodegeneration führen sind noch nicht vollständig geklärt. Exosomen, kleine extrazelluläre Vesikel endosomalen Ursprungs, wurden kürzlich mit AD in Verbindung gebracht. Es konnte gezeigt werden, dass Exosomen die Aggregation von Aß beschleunigen, welches anschließend von Mikrogliazellen aufgenommen wird. In einem Mausmodell führte dies zu einem milderen Krankheitsverlauf. Unabhängig von diesen Erkenntnissen wurde gezeigt, dass das zelluläre Prion-Protein (PrPC), welches über einen Glycosylphosphatidylinositol-Anker an der Oberfläche Zellmembran verankert ist, oligomere Aß Spezies hochaffin über seinen flexiblen Amino-Terminus bindet. Es ist überwiegend Konsens, dass membranständiges PrPC notwendig ist für Aß-vermittelte Synaptotoxizität und Verminderung der Langzeit-Potenzierung sowie für eine toxische Signalkaskade über die Fyn-Kinase.
Um herauszufinden ob PrPC auf Exosomen an molekularen Mechanismen der AD beteiligt ist, wurde mithilfe von transcription activator-like effector nucleases (TALENs) eine murine Neuro 2a (N2a) Prnp knockout Neuroblastoma Zell-Linie hergestellt. Unter Verwendung dieser und der parentalen Wildtyp Zell-Linie, sowie der humanen SH-SY5Y Neuroblastoma Zell-Linie, welche keine detektierbaren Mengen an PrPC exprimiert, verglichen zu SH-SY5Y Zellen die mit PrPC stabil transfiziert wurden, konnte in dieser Studie gezeigt werden, dass PrPC auf Exosomen angereichert ist und dass PrPC die Größe von Exosomen nicht beeinflusst. PrPC-unabhängige Größenunterschiede zwischen N2a und SH-SY5Y Exosomen konnten jedoch festgestellt werden. Ferner konnte gezeigt werden, dass die Bindung von Aß42 an Exosomen vorwiegend durch PrPC auf Exosomen vermittelt wird. Außerdem konnte bestätigt werden, dass neuronale Exosomen die Aggregation von Aß42 katalysieren. Die hier vorliegenden Daten implizieren exosomales PrPC als treibende Kraft der Exosomen-induzierten Aß Aggregation. Exosomen ohne PrPC hatten keinen Einfluss auf die Reaktionskinetic der Aß42 Aggregation. Diese Exosomen-induzierte Aggregation von Aß42 führte zu einer Reduzierung Aß42 vermittelter Toxizität in N2a Zellen. Zusammenfassend deuten die hier erarbeiteten Daten darauf hin, dass exosomales PrPC zentral an Exosomen-vermittelten protektiven Effekten in der Alzheimer Pathologie beteiligt ist. Dies wirft interessante Fragen über mögliche therapeutische Interventionen auf, die durch in vivo Studien zur weiteren Klärung der Funktion von exosomalem PrPC beantwortet werden könnten.

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