Deregulation der Autophagie durch LRRK2 und Alpha-Synuclein bei Morbus Parkinson

Eine Deregulation der Autophagie, einem katabolischen Prozess der maßgeblich am Abbau von zellulären aggregierten Proteinen und geschädigten Zellorganellen beteiligt ist, wird zunehmend als entscheidender Faktor bei zahlreichen neurodegenerativen Erkrankungen erkannt, unter anderem auch bei Morbus Parkinson (PD). Die Fehlfunktion zweier mit PD assoziierter Proteine, der leucine- rich repeat kinase 2 (LRRK2) und alpha-Synuclein (Syn), scheint die Autophagie drastisch zu beeinflussen. Vice versa verändert eine Modulation der Autophagie die zellulären Effekte bei toxischer Fehlfunktion von LRRK2 und Syn, wobei zugrundeliegende molekulare Mechanismen weitgehend ungeklärt bleiben. Sowohl ein zu geringes als auch ein erhöhtes Maß an Autophagie wurde mit Zelltoxizität durch LRRK2 und Syn verknüpft, wenn auch spezifische Aspekte dieser anscheinend gegensätzlichen Effekte unverstanden sind. Im Zuge dieses Projekts sollen die Modelorgansimen Hefe (S. cerevisiae) und Fliege (D. melanogaster) verwendet werden, um die Zelltoxizität von LRRK2 per se als auch die Rolle verschiedener autophagischer Prozesse im LRRK2-induzierten Zellsterben näher aufzuklären. Während das Hefemodel bereits mehrfach erfolgreich angewendet wurde, um phylogenetisch konservierte Regulatoren der Syn-Zelltoxizität zu identifizieren, ist äußerst wenig zu potentiellen Effekten von LRRK2 in Hefe bekannt. Ein Fokus dieses Projekts ist die Etablierung eines alternden Hefemodels für LRRK2, um die Funktionen einzelner enzymatischer Subdomänen als auch pathogener LRRK2-Mutationen auf Überleben, oxidativen Stress, mitochondriale Funktion und vor allem die Autophagie aufzuklären. Desweitern zielt diese Forschung auf ein besseres Verständnis der Autophagie als gemeinsamer Nenner der LRRK2- und Syn-Zelltoxizität bei PD ab. Quantitative proteomische Analysen verknüpft mit genetischen Screens sollen Autophagie-relevante Regulatoren und Stoffwechselwege identifizieren, die in kausalem Zusammenhang mit LRRK2- und/oder Syn- Toxizität stehen. Diese Kandidaten sollen in Drosophila überprüft und die vielversprechendsten dann in humaner Zellkultur und auch post mortem Gewebeproben von PD-Patienten getestet werden, um potentielle Relevanz für neuronale Degeneration im menschlichen Hirn zu demonstrieren. Die Möglichkeit zur großangelegten Untersuchung von Überleben, oxidativem Stress und Autophagieraten als auch der hohe Grad an Konservierung hinsichtlich essentiellen molekularen Mechanismen, die Altern, Autophagie und Zelltod zugrunde liegen, machen Hefe zu einem wertvollen System zur Charakterisierung der Konsequenzen neurotoxischer Proteine. Drosophila erweitert die Möglichkeiten molekularer Studien hin zur funktionellen Analyse eines zentralen Nervensystems. Diese beiden Modelsysteme kombiniert mit einer anschließenden Validierung im Säugersystem werden zu neuen Erkenntnissen hinsichtlich den molekularen Mechanismen und insbesondere der Unterscheidung zwischen protektiver und schädlicher Autophagie durch LRRK2 und/oder Syn-Fehlfunktion führen, welche dann potentiell als Basis für neue pharmakologische Ansätze herangezogen werden könnten.

Morbus Parkinson ist eine multifaktorielle neurodegenerative Erkrankung, die sowohl vom Alter als auch von verschiedenen Umwelteinflüssen und genetischen Risikofaktoren beeinflusst wird. Zu den zellulären Prozessen, die mit dem neuronalen Zellsterben im Zuge von Morbus Parkinson in Verbindung gebracht werden, gehören Defekte der Mitochondrien, den sogenannten Energielieferanten der Zelle, sowie Störungen der Autophagie, einem Prozess der auch als "Selbst-Verdau" bezeichnet wird und dem Abbau und Recycling von geschädigtem und überflüssigem zellulärem Material dient. Im Fokus dieses Projekt stehen die Proteine LRRK2 und -Synuclein, welche beide sowohl mit idiopathischem als auch mit familiärem Morbus Parkinson in engem Zusammenhang stehen. Im Zuge dieses Projekts konnten wir neue Einblicke in die zellulären Abläufe gewinnen, die bei dem durch diese Proteine ausgelösten Zellsterben eine wichtige Rolle spielen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass LRRK2 zu einem deutlichem Funktionsverlust und einer Verklumpung der Mitochondrien führt und die vorhandene Menge an Mitochondrien reduziert. Dies führt dann im Weiteren zu einer Abnahme des verfügbaren ATPs, der zellulären Energiewährung, und somit zu einer fortschreitenden Energieverarmung. Interessanterweise wird dies nicht durch einen erhöhten Abbau der Mitochondrien verursacht, wie es häufig in Szenarien der Mitochondrien-Schädigung beobachtet wird. Stattdessen finden wir eine reduzierte Biogenese von Mitochondrien. Verschiedene genetische und diätische Veränderungen, die diese Abnahme der mitochondriellen Masse verhindern und die Biogenese der Mitochondrien fördern, konnten das zelluläre Überleben deutlich verbessern. Im Bezug auf -Synuclein zeigen unsere Ergebnisse, dass ein erhöhtes Level dieses Proteins zu einer verminderten Aktivität der Abbauenzyme in der Vakuole führt, einer Zellorganelle die unter anderem als "Abfalleimer und Recyclinganlage" der Zelle dient. -Synuclein führt zu einer Fehllokalisierung eines der Hauptabbauenzyme und verhindert so die effiziente Wiederverwertung von geschädigtem Zellmaterial, das mittels Autophagie zur Vakuole transportiert wird. Bemerkenswerterweise kann eine verstärkte Expression dieses Abbauenzyms den vakuolären Abbau wieder ankurbeln und vermindert so nicht nur die Toxizität von -Synuclein sondern auch das durch LRRK2 verursachte Zellsterben. Zusammenfassend liefert dieses Projekt neue Erkenntnisse zu den zellulären Mechanismen, die der Toxizität von -Synuclein und LRRK2 und dem damit einhergehenden, fortschreitenden Zellsterben zugrunde liegen.