Calcium als zentraler Regulator des Zellsterbens bei Morbus Parkinson

Unterschiedlichste Ca2+ Signale regeln eine Myriade an fundamentalen neuronalen Prozessen wie synaptische Transmission, Plastizität, Neuritenwachstum und Synaptogenese. In Folge spielt eine gestörte zelluläre Ca2+ Homöostase bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen wie Morbus Parkinson, Morbus Alzheimer, Chorea Huntington, Epilepsie und sogar Schizophrenie eine bedeutende Rolle. Die Ursachen und Konsequenzen einer gestörten Ca2+ Homöostase sind vielfältig und führen doch zu selbem Ergebnis: neuronaler Dysfunktion und Zelltod. Im Fokus dieses Projektes steht der Zusammenhang zwischen einer fehlerhaften Regulation des Ca2+ Haushaltes und neuronalem Zellsterben bei Morbus Parkinson (PD), einer stark beeinträchtigenden, alters-assoziierten neurodegenerativen Krankheit. Die Bildung von intrazellulären Einlagerungen, so genannten Lewy Körperchen, stellt ein pathologisches Kennzeichen im Verlauf von PD dar. Es wird angenommen, dass das Protein a-synuclein, das den Hauptanteil der in Lewy Körperchen vertretenen aggregierten Proteine ausmacht, eine entscheidende Rolle bei der Pathologie von PD spielt. Neuere Erkenntnisse weisen auf einen essentiellen Einfluss von Ca2+ Ionen und Ca2+-abhängigen Prozessen bei a-synuclein-induziertem neuronalen Zellsterben hin. Die zugrunde liegenden molekularen Mechansimus bleiben allerdings noch ungeklärt. Stellt der durch a-synuclein induzierte Anstieg an cytosolischem Ca2+ eine Ursache oder nur die Konsequenz der Toxizität von a-synuclein dar? Welche molekularen Faktoren sind involviert? Hefe codiert für zahlreiche Homologe der komplizierten Maschinerie, die für einen balancierten Ca2+ Haushalt in Säugerzellen nötig ist, und bietet sich als einfaches, eukaryontische Model an, um diese Fragen in einem weniger komplexen und einfach zu manipulierendem System zu klären. In Hefemodellen für PD, welche auf der Expression von humanem a-synuclein und PD-assoziierten klinischen Mutanten basieren, konnten nicht nur zahlreiche Merkmale von PD rekapituliert sondern auch bereits bekannte Prozesse und Zusammenhänge weiterentwickelt und noch unbekannte Faktoren identifiziert werden. Somit ist es möglich, das Ineinandergreifen von zellulärem Altern, Ca2+ Homöostase, mitochondrieller (Dys)funktion und oxidativem Stress als auch umweltbedingter und genetischer Faktoren näher aufzuklären und so zum Verständnis des neuronalen Zellsterbens bei PD beizutragen. Unsere neuesten Ergebnisse im Hefemodel zeigen, dass a-synuclein den basalen cytosolischen Ca2+ Spiegel deutlich erhöht und zu einer Veränderung der zellulären Reaktion auf einen externen Ca2+ Schock führt. Desweiteren ist die Toxizität von a-synuclein bei Fehlen einer bestimmten Ca2+ ATPase stark vermindert (unpublizierte Daten). Die Kombination von exakten Überlebensassays, durchflusscytometrischer Quantifizierung apoptotischer und nekrotischer Marker und Lumineszenz-basierten Messungen der cytosolischen Ca2+ Konzentration in unterschiedlichsten Stämmen soll näheres Verständnis des a-synuclein-vermittelten Todesweges liefern und vor allem den Einfluss von Ca2+ näher beleuchten. Vielversprechende im Hefesystem generierte Daten sollen in einem Drosophila Model für PD validiert werden. Zusammenfassend soll im Zuge dieses Projekts das komplizierte Wechselspiel zwischen Funktion und Toxizität von a-synuclein, mitochondriellen Schäden und dereguliertem Ca2+ Haushalt in alternden Zellen näher aufgeklärt werden. In einer alternden Gesellschaft scheint die weitere Untersuchung von Mechanismen, die neurodegenerativen Krankheiten wie PD zugrunde liegen, wünschenswert und notwendig.

Vorliegendes Elise-Richter Forschungsprojekt sollte den Zusammenhang zwischen altersassoziierter Fehlregulation der Ca2+ Homöostase und neuronalem Zellsterben bei Morbus Parkinson näher aufklären. Morbus Parkinson ist eine altersabhängige, neurodegenerative Erkrankung, die durch den Tod sogenannter dopaminerger Nervenzellen in einem speziellen Hirnbereich, der substantia nigra, charakterisiert wird. Zahlreiche zelluläre Prozesse tragen zur Entwicklung von Morbus Parkinson bei, u.a. auch eine Fehlregulation der Ca2+ Homöostase und der Autophagie, einem Prozess den man als zellulären Selbstverdau bezeichnet. Einer Fehlfunktion des Proteins ?-synuclein wird eine Schlüsselrolle bei Morbus Parkinson und dem damit einhergehenden Zellsterben zugeschrieben, u.a. weil es in großen Mengen in den für Morbus Parkinson typischen intrazellulären Proteinaggregaten zu finden ist. Auch wenn ?-synuclein bereits mit zellulärer Ca2+ Homöostase in Verbindung gebracht wurde, sind die zugrundeliegenden Mechanismen doch noch komplett unklar. Im Zuge dieses Projektes sollten die Effekte von ?-synuclein auf den Ca2+ Transport, die Ca2+ Speicherung und die Ca2+ abhängigen Signalwege näher untersucht und molekulare Schlüsselfaktoren identifiziert werden. Wir konnten zeigen, dass ?-synuclein zu einer Anreicherung von Ca2+ Ionen im Cytosol führt, was dann zur Entstehung von massivem oxidativem Stress führt. Chemische Inhibierung dieser ?-synuclein-induzierten Steigerung des cytosolischen Ca2+ Gehalts konnte den folgenden oxidativen Stress und Zelltod verhindern. Diese Daten deuten auf einen kausalen Zusammenhang zwischen Störungen des Ca2+ Haushaltes und neuronalem Zellsterben hin. Desweiteren konnten wir die intrazelluläre Ca2+ Pumpe PMR1 als einen phylogenetisch hoch konservierten Regulator der ?-synuclein-Toxizität identifizieren. In unterschiedlichen Modelsystemen für Morbus Parkinson (Hefe, Fliege und Wurm) konnte eine Inaktivierung dieser Pumpe sowohl den Ca2+ Anstieg im Cytosol als auch den Zelltod verhindern. Zusätzliche haben wir in Fliege zwei weitere für Morbus Parkinson typische Marker untersucht: den Verlust der dopaminergen Neuronen und eine Beeinträchtigung des Bewegungsapparat. Auch hier konnte die Inaktivierung von PMR1 diese für Morbus Parkinson typischen pathologischen Veränderungen verhindern. Außerdem haben wir einen interessanten neuen Zusammenhang zwischen einem wichtigen Ca2+ Signalweg und der Autophagie entdeckt. Während ?-synuclein zu einer Blockade von autophagischen Prozessen führt, kann eine Aktivierung des Ca2+ Signalweges diese Blockade wieder aufheben. Insgesamt konnten im Zuge dieses Projekts neue Einsichten in die molekularen Mechanismen von Morbus Parkinson gewonnen werden.