Neue Modellsysteme zum Verständnis
neurodegenerativer Erkrankungen
Jochen Holzschuh
Universität Freiburg
Biologie I
Neue Modellsysteme zum Verständnis
neurodegenerativer Erkrankungen

Einleitung






Neurodegenerative Erkrankungen
Morbus Parkinson



Vom Gen zum Protein
Das Gehirn
Modellsysteme
Transgene Tiere
Morbus Parkinson
Modelle zu Morbus Parkinson
Morbus Alzheimer


Morbus Alzheimer
Modelle zu Morbus Alzheimer
Einleitung
Vom Gen zum Protein
Gene steuern das Zellverhalten,
indem sie die Proteine
kontrollieren, die eine Zelle
produziert.

Promotoren fungieren als
“Genschalter”
 Enhancer als “Verstärker”
 Transkriptionsfaktoren, die sich an die
Promotor-Enhancerregionen heften,
verstärken oder inhibieren die
Transkription

Das Gehirn
Trepel 2004
Modellorganismus Fadenwurm
Caenorhabditis elegans
10µm
10µm
Larvenstadien
0,5mm
Wolpert 1999
Modellorganismus Fruchtfliege
Drosophila melanogaster
0,1mm
Wolpert 1999
Modellorganismus Zebrafisch
Danio rerio
0,5mm
0,5mm
1cm
Wolpert 1999
Modellorganismus Maus
Mus musculus
10µm
0,1mm
1mm
Wolpert 1999
Transgene Tiere

Überexpression (Transgene)


Knock-out


Einbringen eines zusätzlichen Gens. Dies führt zu
einem Funktionsgewinn. Durch die Wahl des
Promotors wird der Ort und die Menge der
Expression bestimmt.
Entfernung eines Gens. Dies führt zu einem
Funktionsverlust.
Knock-in

Veränderung des natürlichen Gens, z.B. Einführung
einer Punktmutation, oder Austausch eines
endogenen Gens durch ein Fremdgen. Dies führt zu
der Expression eines mutierten bzw. Fremdgens in
normaler Menge
Herstellung transgener Tiere

Konventionelle Veränderung
Einbringen von Fremd-DNA an unbestimmter
Stelle in irgendein Chromosom.

QuickT i me™ and a Ani mation decompressor are needed to see thi s pi cture.
Lodish et al. 2000
Herstellung transgener Tiere
Konventionelle Veränderung
 Gezielte Veränderung
(Gene Targeting)


Veränderung eines Zielgens durch
• Einführung eines zusätzlichen DNA
Fragments.
• Einführung einer Deletion.
• Gezielte Veränderung einzelner
Nukleotide
Herstellung transgener Tiere



Konventionelle Veränderung
Gezielte Veränderung (Gene Targeting)
Konditionelle Veränderung
Gerichtete genetische
Abwandlung, die nur ein
spezifisches Gewebe
oder einen Zeitabschnitt
in der Entwicklung eines
Organismus oder beides
betrifft.

Neurodegenerative Erkrankungen
“ Clearly, neurons are always riding on the edge;
with their high metabolic requirements and
meager provisions, they are extremely
vulnerable cells. …
…Happy neurons are all alike: every unhappy
neuron dies in its own way ”
Hutchings and Barker
Why Neurons Die: Cell death in the nervous system (1998)
Neurodegenerative Erkrankungen
Definition

Familiäre oder sporadische
Erkrankungen, die neuropathologisch
durch fortschreitenden Untergang
bestimmter Populationen von
Nervenzellen und Ersatz durch
Gliagewebe gekennzeichnet sind.
Neurodegenerative Erkrankungen
Klinische Klassifikation

Demenzerkrankungen (z.B. Alzheimer)

Verlust erworbener intellektueller Fähigkeiten
• Gedächtnis
• und mindestens eines der folgenden Merkmale
•
•
•
•
Störung des abstrakten Denkens
Vermindertes Urteilsvermögen
Störung anderer kortikaler Funktionen
Persönlichkeitsveränderungen
Neurodegenerative Erkrankungen
Klinische Klassifikation
Demenzerkrankungen (z.B. Alzheimer)
 Zentrale Bewegungsstörungen

(Basalganglienerkrankungen z.B. Parkinson)

Die Kontrolle der Willkürmotorik, also von
Bewegungen, die bewusst ausgeführt werden, ist in
Folge von degenerativen Erscheinungen der
Basalganglien gestört.
Neurodegenerative Erkrankungen
Klinische Klassifikation
Demenzerkrankungen (z.B. Alzheimer)
 Zentrale Bewegungsstörrungen

(Basalganglienerkrankungen z.B. Parkinson)

Ataxien (z.B. Spinocerebellar Ataxie)

Verlust oder Störung der Bewegungsabläufe
und der Haltungsinnervation mit Auftreten
unzweckmässiger Bewegungen in Folge
gestörter Muskelkoordination.
Neurodegenerative Erkrankungen
Klinische Klassifikation
Demenzerkrankungen (z.B. Alzheimer)
 Zentrale Bewegungsstörrungen

(Basalganglienerkrankungen z.B. Parkinson)
Ataxien (z.B. Spinocerebellar Ataxie)
 Erkrankungen des motorischen Systems

(z.B. ALS Amyotrophe Lateralsklerose ALS)

Motorische Störungen ausgehend von einem
neuronalen Verlust im pyramidalen System.
Molekulare Klassifikation
neurodegenerativer Erkrankungen

Amyloid-Erkrankungen (Alzheimer)

Einlagerung von bestimmtem Proteinen
(Amyloid oder Paraamyloid) in die
Grundsubstanz des Bindegewebes
Molekulare Klassifikation
neurodegenerativer Erkrankungen
Amyloid-Erkrankungen (z.B. Alzheimer)
 Tauopathien (z.B. Alzheimer)


Eine Gruppe von degenerativen
Erkrankungen des Zentralnervensystems, die
auf eine abnorme Phosphorylierung und
Aggregation des Mikrotubuli-assoziierten
Proteins Tau zurückzuführen sind
Molekulare Klassifikation
neurodegenerativer Erkrankungen
Amyloid-Erkrankungen (z.B. Alzheimer)
 Tauopathien (z.B. Alzheimer)
 Synukleopathien (z.B. Parkinson)


Neurodegenerative Erkrankungen, bei denen
es zur Bildung von Lewy Körperchen kommt.
Die Lewy-Körperchen bestehen überwiegend
aus Synuklein, einem natürlichen, aber in
seiner Struktur krankhaft veränderten
Protein.
Molekulare Klassifikation
neurodegenerativer Erkrankungen
Amyloid-Erkrankungen (z.B. Alzheimer)
 Tauopathien (z.B. Alzheimer)
 Synukleopathien (z.B. Alzheimer)
 CAG Repeat Erkrankungen (z.B. Huntington)


Mutationen, die durch CAG-RepeatVerlängerungen (Wiederholungen des
Codons Cytosin-Adenin-Guanin)
charakterisiert sind und zu langen
Polyglutaminen führen.
Morbus Parkinson

Erstmals 1817 von Parkinson in seinem
“An Essay on the Shaking Palsy”
beschrieben.

Familiärer idopatischer Parkinson (<40
Jahre, 5-10% der Partienten)
•
•

Autosomal-dominant
Autosomal-recessive juvenil
Sporadischer idiopatischer Parkinson (>50
Jahre)
Morbus Parkinson
Klinisches Erscheinungbild
Gang- und Gleichgewichtsstörungen
 Zittern
 Muskelsteifigkeit

Morbus Parkinson
Pathologie
Primär degenerativ.
 Verlust von Neuronen


Hauptsächlich dopaminerger Neurone der
Substantia nigra pars compacta
Morbus Parkinson
Pathologie

Basalganglienerkrankung

Sekundäre Überfunktion des Striatums
(Enthemmung)
Morbus Parkinson
Krankheits Faktoren

Genetische Faktoren






a-Synuclein (Park1)
Parkin (Park2)
Sepiapterinreductase (Park3)
Ubiquitin C-terminale Hydrolase (Park5)
TAU
Umwelt Faktoren






Unreine Drogen (MPTP in Heroin)
Virale Infektion (Influenca A)
Trauma (Boxer)
Pestizide und Herbizide
Mangan
Endogene Neurotoxine
Morbus Parkinson
a-Synuclein

Mutationen des a-Synuclein führen zu
oxidativen Stress
Morbus Parkinson
Tiermodelle

a-Synuclein Transgene Tiere:




C. elegans
Drosophila melanogaster
Mäuse
Neurotoxin Modelle: MPTP/MPP+ und 6-OHDA






C. elegans,
Drosophila melanogaster
Fische
Mäuse
Ratten
Primaten
Morbus Parkinson
in C. elegans

Expression von grün fluoreszierenden
Protein GFP unter der Kontrolle des DAT
Promotors
Wolpert 1999
Nass et al. (2002)
Morbus Parkinson
in C. elegans
Das 6-OHDA Toxin
tötet DA Neurone und
führt so zu einer
starken Störung der
Beweglichkeit in
Fadenwürmern

Nass et al. (2002)
Morbus Parkinson
in C. elegans
Expression von
Mutanten humanen
a-Synuclein unter
der Kontrolle des
DAT Promotors führt
zu einem Verlust von
DA Neuronen

Lasko et al. 2003
Morbus Parkinson
in Drosophila

DA Neurone in Drosophila
Hartenstein 1993
Frigge-Grelin et al. 2002
Morbus Parkinson
in Drosophila
Die Expression von mutanten humanen
a-Synuclein führt zu einem MP Phenotypen

transgenic
transgenic
Anti a-Synuclein
Anti a-Synuclein
transgenic
human
transgenic
human
Feany & Bender 2000
Morbus Parkinson
in Drosophila
Die Expression von mutantem humanen
a-Synuclein führt zu Störungen in der
Motorik

Feany & Bender 2000
Morbus Parkinson
in Drosophila
Der Verlust von DA
Neuronen kann
pharmakologisch
aufgehoben werden
(Geldanamycin)

Auluck & Bonini 2002
Morbus Parkinson
a-Synuclein Knockout Mäuse

Das Entfernen des
a-Synuclein Gens
in Mäusen (knockout)
führt zu keiner
Veränderung in der
Entwicklung der
DA Neurone.
Abellovich et al. 2000
Morbus Parkinson
in transgenen Mäusen

Mutantes humanes a-Synuclein in Mäusen
Mauslinie 1
a-Synuclein in allen Neuronen
Mauslinie 2
a-Synuclein in DA Neuronen
Mauslinie 3
a-Synuclein in Glia Zellen
Stichel und Lüber 2003
Morbus Parkinson
Die Suche nach neuen Faktoren

DA Neurone im Zebrafisch
Nach Holzschuh et al. 2001
Morbus Parkinson
Die Suche nach neuen Faktoren

Mutagenese von Zebrafischen zur
Identifizierung neuer Faktoren der DA
Neuronen Entwicklung
Morbus Alzheimer
Erstmals von Alois Alzheimer 1906 als
eine "eigenartige Krankheit der Hirnrinde"
beschrieben
 Die Alzheimersche Krankheit ist eine
fortschreitende, degenerative Erkrankung.
 Alzheimer ist die häufigste Form der
Demenz

Morbus Alzheimer
Klinisches Erscheinungsbild

Verlust der intellektuellen Funktionen wie
Denken, Erinnern und Verknüpfen von
Denkinhalten
Morbus Alzheimer
Pathologie
Primar degenerativ.
 Verlust von Neuronen


Hauptsächlich Neurone des Vorderhirns und
der Großhirnrinde (cholinerge Neurone)
© A Med-World AG
Morbus Alzheimer
Pathologie

Bildung von Fibrillenveränderungen und
pathologischen Ablagerungen in der
Hirnrinde
“Senile Plaques” mit Amyloid ß-Protein
 Neurofibrilären Knäulen des TAU Proteins

Morbus Alzheimer
Krankheits Faktoren

Genetische Faktoren





Amyloid Vorläufer Protein (APP)
Presenelin1
Presenelin2
Apolipoprotein E (APOE)
Umwelt Faktoren


Aluminium
Gehirnverletzungen (Boxen)
Morbus Alzheimer
Pathologie

Die Entstehung von krankhaften Protein
Aggregaten
Morbus Alzheimer
Pathologie

Die Bildung von Amyloid ß-Ablagerungen
Morbus Alzheimer
in C. elegans

APP transgene Fadenwürmer bilden
Amyloid-ß Ablagerungen in Muskelzellen
50mm
Link et al. 2003
Morbus Alzheimer
in Drosophila

TAU Transgene Fliegen verlieren
alterersabhängig cholinerge Neurone und
Auge 1d
Auge 30 d
ZNS 1d
ZNS 30 d
Ko
…Neuronen
endigungen
TAU
mTAU
Wittmann et al. 2001
Morbus Alzheimer
in Drosophila
APP und Psen
transgene Fliegen
entwickeln Plaques
und Neurodegenerationen

Greeve et al. 2004
Ausblick
Tiermodelle

Tiermodelle ermöglichen die…..





Identifizierung von neuen Faktoren, die für den
Krankheitsverlauf verantwortlich sind.
Identifizierung von Faktoren, die die Regeneration
oder Neubildung von betroffenen Populationen von
Neuronen bewirken.
Aufklärung von Mechanismen, die zu einem
neurodegenerativen Krankheitsbild führen.
Testung in der Arzneimittelentwicklung (Highthroughput-Screening)
Entwicklung neuer Therapieansätze für
neurodegenerative Erkrankungen.