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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-67092
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/6709/


Parkin cooperates with GDNF/Ret signaling to prevent dopaminergic neurodegeneration in mice

Parkin kooperiert mit GDNF/Ret Signalwegen um Neurodegeneration des dopaminergen Systems in Mäusen zu verhindern

Meka, V. V. Durga Praveen

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Basisklassifikation: 42.20 , 42.15 , 42.13
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Kramer, Edgar (PD Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 24.01.2014
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 14.11.2017
Kurzfassung auf Englisch: Parkinson’s disease (PD) is a progressive neurodegenerative disorder¬ characterized by the loss of dopaminergic (DA) neurons in a specific region of the brain, namely the substantia nigra pars compacta (SNpc). The E3 ligase parkin and the receptor tyrosine kinase Ret are independently linked to the SNpc DA neuronal death in PD patients and animal models respectively. Parkin is shown to play a role in maintaining mitochondrial integrity and mitophagy of damaged mitochondria in cell culture. In contrast to its well-established roles in vitro, mice lacking parkin display no DA neuron loss in the SNpc. On the other hand, the neurotrophic factor glial cell-line derived neurotrophic factor (GDNF) and its receptor Ret were shown to be important for the survival and maintenance of the SNpc DA neurons in animal models. Mice without Ret in DA neurons display an age dependent and SNpc specific DA cell loss reminiscent to PD patients. Correspondingly, a mutation in the intracellular domain of the Ret receptor (MEN2B) renders it constitutively active, resulting in more DA neurons specifically in the SNpc region of the mice. However, association studies performed in humans did not find any polymorphism in the Ret gene that can be attributed to increased PD risk. These observations suggest that defects in Ret signaling could be a secondary, but not primary consequence in PD, where Ret might function along with other proteins that are linked to PD. Recently, a study unveiled the pro-survival function of DJ-1 in Ret deficient mice and a conserved interaction between DJ-1 and Ret mediated signaling in Drosophila. These findings encouraged us to investigate for functional interaction and downstream signaling of Ret and parkin.
In this study I used mouse genetics to investigate the functional cooperation and downstream signaling of Ret and parkin in SNpc DA neurons. To investigate the cell survival and maintenance function of parkin and Ret in the SNpc and its target region, the striatum (nigrostriatal DA system), we crossed conditional (dopaminergic specific) Ret deficient mice with complete parkin deficient mice. The double deficient mice thus obtained showed an enhanced and progressive age dependent DA cell loss (specifically in the SNpc) and striatal DA axon fiber loss compared to mice that only lack Ret, indicating cell survival and maintenance function of parkin together with Ret in ageing mice. Interestingly, the adult parkin and Ret double deficient mice showed significantly lowered total dopamine levels in the striatum and reduced total cellular ATP levels and decrease in mitochondrial complex I activity in the SN region. Taken together, these observations demonstrate that both Ret signaling and parkin activity are essential for energy production and mitochondrial function to maintain cellular physiology and morphology of the SNpc DA neurons in adult mice, which would otherwise lead to a progressive and age dependent degeneration.
In another approach, we wanted to investigate neuroprotective effects of parkin on the nigrostriatal system of ageing Ret deficient mice. In order to do this, we crossed transgenic human-parkin overexpressing mice with Ret deficient mice. Interestingly parkin overexpression in Ret deficient mice prevented SNpc DA cell body death and also protected striatal DA axonal fibers and total DA amounts. These findings not only suggest redundant functions of Ret and parkin, but also extend the knowledge about the neuroprotective properties of parkin, which is here demonstrated in neurons with trophic insufficiency.
Furthermore, to investigate the role of parkin in the increased DA neuron numbers in MEN2B mice, we crossed parkin deficient mice with MEN2B mice. Parkin deletion slightly but significantly normalized the SNpc DA neuron numbers and striatal DA fiber innervation in the MEN2B mice. These findings demonstrate the functional interaction of constitutive active Ret signaling and parkin for the establishment of nigrostriatal DA system.
Altogether, our observations reveal an important functional crosstalk of parkin and Ret to maintain cellular ATP levels and proper mitochondrial function to promote the survival of SNpc DA neurons. Considering the cell survival role and redundant functions of Ret and parkin, striatal delivery of GDNF (or other Ret ligands) might be much more effective in PD patients with parkin mutations.
Kurzfassung auf Deutsch: Morbus Parkinson ist eine progressive neurodegenerative Krankheit, bei der dopaminerge Neuronen in einer spezifischen Gehirnregion, der Substantia nigra pars compacta (SNpc) absterben. Die E3-Ligase Parkin und die Rezeptortyrosinkinase Ret sind unabhängig voneinander mit dem dopaminergen Zellverlust in der SNpc bei Parkinson Patienten in Verbindung gebracht worden. Für Parkin konnte gezeigt werden, dass es in Zellkultur bei der Erhaltung der mitochondrialen Integrität und bei der Mitophagy in beschädigten Mitochondrien eine Rolle spielt. Trotz der wichtigen in vitro Funktionen von Parkin zeigen Mäuse, die mutant für dieses Protein sind, keinen dopaminergen Zellverlust in der SNpc. Andererseits wurde in Tiermodellen gezeigt, dass der neurotrophe Faktor glial cell-line derived neurotrophic factor (GDNF) und sein Rezeptor Ret wichtig für das Überleben und den Erhalt von SNpc dopaminergen Neuronen sind. Mäuse, die Ret nicht mehr in dopaminergen Neuronen produzieren zeigen einen Parkinson-ähnlichen, altersabhängigen und SNpc spezifischen Verlust von dopaminergen Neuronen. Übereinstimmend damit führt eine konstitutiv aktive Mutation in der intrazellulären Domäne des Ret Rezeptors (MEN2B) bei Mäusen zu einer erhöhten Anzahl von dopaminergen Neuronen in der SNpc Hirnregion. Dennoch konnten Assoziationsstudien im Menschen keine Polymorphismen im Ret Gen finden, die mit erhöhtem Risiko an Morbus Parkinson zu erkranken zusammenhängen könnten. Diese Beobachtungen weisen darauf hin, dass die Defekte in der Ret Signalweiterleitung eher sekundäre als primäre Konsequenzen der Parkinsonerkrankung sind, und Ret mit anderen Proteinen zusammenarbeitet, die mit Morbus Parkinson assoziiert werden. Vor kurzem konnte eine Studie zeigen, dass das Protein DJ-1 in Ret mutanten Mäusen eine überlebensfördernde Wirkung hat und dass die DJ-1 und Ret Signalweiterleitung in Drosophila miteinander interagiert. Diese Ergebnisse führten zu der Idee, eine funktionelle Interaktion in der Signalweiterleitung von Ret und Parkin zu untersuchen.
Für diese Arbeit haben wir Mausgenetik benutzt, um eine mögliche funktionelle Interaktion in der Signalweiterleitung von Ret und Parkin in der SNpc Gehirnregion und deren Zielregion, dem Striatum (nigrostriatales System) zu untersuchen. Um die Aufgaben von Ret und Parkin im Überleben von dopaminergen Neuronen und deren Erhalt genauer zu studieren, haben wir konditionelle (dopaminerg-spezifische) Ret knock-out Mäuse mit komplett knock-out Mäusen für Parkin gekreuzt. Diese Doppel-knock-out Mäuse zeigten im Vergleich zu Ret knock-out Mäusen einen verstärkten und mit dem Alter progredienten Zellverlust von dopaminergen Neuronen der SNpc Region, und einen verstärkten Verlust von striatalen Axonfasern. Dies deutet darauf hin, dass Ret und Parkin gemeinsame Funktionen im Überleben und im Erhalt von dopaminergen Neuronen in alternden Mäusen haben. Interessanterweise zeigten erwachsene Doppel-knock-out Mäuse signifikant reduzierte Mengen an Dopamin im Striatum, reduzierte zelluläre ATP-Mengen und reduzierte mitochondriale Komplex I Aktivität in der SN Region. Diese Beobachtungen zeigen, dass die essentiellen Funktionen von Ret und Parkin in der Energieproduktion und der mitochondrialen Funktion für die zelluläre Physiologie und Morphologie der SNpc dopaminergen Neuronen in erwachsenen Mäusen benötigt sind, und somit eine progressive und altersabhängige Degeneration verhindern.
In einem weiteren Ansatz untersuchten wir mögliche neuroprotektive Effekte von Parkin in alternden Ret mutanten Mäusen. Um dies zu erreichen, kreuzten wir Mäuse die, humanes Parkin bilden mit Ret mutanten Mäusen. Wir konnten zeigen, dass Überexpression von Parkin in Ret mutanten Mäusen den dopaminergen Zelltod in der SNpc Gehirnregion verhindert, dass die striatalen dopaminergen Fasern geschützt waren und die Gesamtmenge an Dopamin unverändert war. Diese Ergebnisse weisen nicht nur auf redundante Funktionen von Ret und Parkin hin, sondern erweitern auch das Wissen über die neuroprotektiven Eigenschaften von Parkin, wie wir sie hier in Neuronen mit trophischer Insuffizienz zeigen konnten.
Zusätzlich haben wir die Rolle von Parkin in MEN2B Mäusen untersucht, die normalerweise eine erhöhte dopaminerge Neuronenzahl aufweisen. Parkin-MEN2B Mäuse zeigten eine milde, aber signifikante Normalisierung der dopaminergen Neuronen und der striatalen dopaminergen Fasern. Diese Ergebnisse demonstrieren die funktionale Interaktion von konstitutiv aktivem Ret und Parkin in der Etablierung des nigrostriatalen dopaminergen Systems.
Zusammenfassend zeigen unsere Daten einen wichtigen funktionellen Crosstalk zwischen Parkin und Ret bei der zellulären ATP Gesamtmenge und bei mitochondrialen Funktionen um das Überleben von dopaminergen SNpc Neuronen zu sichern. Wenn man die Zell-Überlebensfunktionen und die redundanten Funktionen von Ret und Parkin berücksichtigt, könnte man sich eine effektivere striatale Übermittlung von GDNF (oder anderen Ret Liganden) in Morbus Parkinson Patienten mit Parkin Mutationen vorstellen.

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