Oktober 2011 Dr.rer.nat Dr. med Kohlhepp Bad Waldsee
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Oktober 2011 Dr.rer.nat Dr. med Kohlhepp Bad Waldsee Sonntag, 7. Oktober 12 UPS und ALP ASPEKTE ZU NEURODEGENERATION Parkinson und Alzheimer Disease Sonntag, 7. Oktober 12 Ich möchte vorausschicken Alles was ich weiß habe ich nicht selbst erforscht sondern "gehört, gelesen, gegoogelt" Das Wissen von Heute ist vielleicht der Irrtum von Morgen Sonntag, 7. Oktober 12 • Abbreviations: • UPS ubiquitin-proteasome system • ALP autophagy-lysosome pathway • CMA chaperone-mediated autophagy • ERAD System ER-abhängiges Dedradationssystem • HDAC6 histone deacetylase 6 • Parkin ( protein encoded by the PARK2 gene) component of a multiprotein E3 ubiquitin ligase complex • LRRK2 (Leucine-rich repeat kinase 2, sprich Lark2) Sonntag, 7. Oktober 12 • Proteine falten in der Neusynthese in die native Form • Fehler in der Proteinfaltung führen zu ineffektiven Strukturen • Fehler entstehen durch Mutation, Tanskriptionsfehler, Translationsfehler, Alterung, toxische Schädigung • fehlgefaltete Proteine beeinträchtigen die Zelle nachhaltig • bilden unlösliche Aggregate, die akkumulieren Sonntag, 7. Oktober 12 • Beseitigung fehlerhafter Proteine ist für die Zelle von essentieller Bedeutung • QM der Zelle • Proofreading = Überprüfung der Proteine • Versuch der Faltelung mit aktiver Unterstützung • Degradation... Chaperone erkennen und binden fehlerhafte Proteine (korrigieren oder vernichten) Sonntag, 7. Oktober 12 UPS und ALP ASPEKTE ZU NEURODEGENERATION Parkinson und Alzheimer Disease • Das Ubiqitin-Proteasome System • und Autopphagy-Lysosome System • sind die beiden wichtigsten Mechanismen, die abnorme oder alterierte oder nicht mehr gebrauchte Proteine entfernen, deren Konzentration regeln bzw durch Abbau zu Aminosäuren diese in den Kreislauf einer neuen Proteinsynthese zurück führen Sonntag, 7. Oktober 12 Proteasome 20 S Kernkomplex Dieser trägt im Innern seiner Hohlzylinderstruktur die ptoteolytisch aktiven Zentren 19 S Komplexe verantwortlich für Erkennung, Bindung von Substratproteinen, Entfaltung und Transport in den Zylinder Selektivität durch ein spezielles Adressiersystem, das Ubiqitinsystem Sonntag, 7. Oktober 12 In einer Zelle: 30.000 Proteasomen hochkomplexe Proteolysemaschinen Sonntag, 7. Oktober 12 • Die Beseitigung fehlerhafter Proteine ist für die Zelle von essentieller Bedeutung • Zytoplasma • E3-Ubiquitin Ligase, CHIP, Chaperone der Hsp70/90 Familie, Ubiquitinierung > cytoplasmatische Proteinqualitätskontrolle • ERAD System ER-abhängiges Dedradationssystem • Qualitätskontrolle im Kern Sonntag, 7. Oktober 12 Proteinqualitätskontrolle im Zytoplasma • Durch Aufspüren einer E3-Ubiquitin-Ligase, CHIP , die mit Chaperonen der Hsp70/ Hsp90 Familie interagiert, konnte eine molekulare Verbindung zwischen UP-System und cytoplasmatischer Proteinqualitätskontrolle aufgezeigt werden. • Hsp70-Chaperone werden assoziiert mit Ribosomen gefunden. Sie binden neu synthetisierte Polypeptidketten im Stadium der Synthese oder kurz nach der Fertigstellung und unterstützen deren Faltung unter Verbrauch von ATP . Sonntag, 7. Oktober 12 • Chaperone (engl. Anstandsdamen) sind Proteine, die neu synthetisierten Proteinen „helfen“, sich korrekt zu falten. • Die Bezeichnung wurde gewählt, „da sie unreife Proteine vor schädlichen Kontakten bewahren“. • Funktion • A. Chaperon U. N. • U das neu synthetisierte, noch ungefaltete Protein, das in einer Zufallsknäuel-Struktur vorliegt. • • Aggregation des Proteins (A), der andere Weg unter Vermittlung des Chaperons zum nativen Protein N: Sonntag, 7. Oktober 12 • CHIP kann diesen Prozess korrumpieren. Es hemmt den ATP-Umsatz cytosolischer Hsp70-Proteine und blockiert Hsp70-vermittelte Proteinfaltung. • CHIP bindet an E2-Enzyme der Ubc4/Ubc5Familie, die für die Ubiquitinierung abnormaler Proteine verantwortlich zeichnen. Die Bindung an Hsp70/Hsp90 ist notwendig, damit die CHIPUbiquitin-Ligase Aktivität ausüben kann. Diese Befunde verknüpfen klar die Ubiquitin-abhängige Proteolyse mit der Qualitätskontrolle cytoplasmatisch synthetisierter Proteine. Sonntag, 7. Oktober 12 CHIP: a link between the chaperone and proteasome systems Carboxyl-terminus of Hsc70 interacting protein (CHIP), originally identified as a co-chaperone CHIP is an ideal molecule acting as a protein quality-control ubiquitin ligase that selectively leads abnormal proteins recognized by molecular chaperones to degradation by the proteasome. Sonntag, 7. Oktober 12 Proteinqualitätskontrolle im ER • ERAD System ER-abhängiges Degradationssystem • etwa 20% der Proteine werden eingeschleust • Diese Proteine erreichen das ER im entfalteten Zustand • Fehlgefaltete oder nicht-assemblierte Proteine werden der proteasomalen Abbaumaschinerie im Zytoplasma zugeführt Sonntag, 7. Oktober 12 Proteinqualitätskontrolle im ER • Es existiert ein komplexes System der Modifizierung Proofreading, Rücktransport ins Zytoplasma, Ubiquitinierung > Proteolyse • in der ER-Membran verankert sind E2-Enzym Ubc6, E3-Ligasen Sonntag, 7. Oktober 12 Proteasome bauen nur Ubiqitin markierte Proteine ab Sonntag, 7. Oktober 12 Sonntag, 7. Oktober 12 Sonntag, 7. Oktober 12 Sonntag, 7. Oktober 12 Sonntag, 7. Oktober 12 Der andere Weg ALP Sonntag, 7. Oktober 12 ALP autophagy lysosome pathway ALP kann in drei unterschiedliche Wege gegliedert werden, je nachdem wie das Substrat das lysosomale Lumen erreicht. • Macroautophagy (generally referred to as autophagy), • Microautophagy • and Chaperone-mediated autophagy (CMA) • Autophagy kann durch kurze Perioden von Hunger erreicht werden, und CMA durch lange Hungerperioden, hingegen ist Microautophagy weder durch Nahrungsentzug noch durch Stress aktiviert. Sonntag, 7. Oktober 12 ALP autophagy lysosome pathway • Im Gegensatz zu UPS liegt die Hauptaufgabe von ALP in der • DEGRADIERUNG von langlebigen, stabilen Proteinen und ist der einzige Weg durch den ganze Organellen wie zB Mitochondrien wiederverwertet werden können. • Large membrane proteins and protein complexes (including oligomers and aggregates) that fail to pass through the narrow proteasome barrel can be degreded by autophagy Sonntag, 7. Oktober 12 Sonntag, 7. Oktober 12 1. Nukleolus 2. Nukleus 3. Ribosom 4. Vesikel 5. raues ER 6. Golgi 7. Mikrotubuli 8. glattes ER 9. Mitochondrien 10. Lysosom 11. Zytoskeletts 12. Peroxisom Sonntag, 7. Oktober 12 • Lysosomen sind Zellorganellen in tierischen Zellen. • Es handelt sich dabei um von einer einfachen Biomembran umschlossene Vesikel mit saurem pHWert. • Sie enthalten Verdauungsenzyme • Die Funktion der Lysosomen besteht darin Biopolymere in ihre Monomere zu zersetzen. • Aufgaben • Verdauung zellfremden Materials • Verdauung zelleigenen Materials Sonntag, 7. Oktober 12 ALP autophagy lysosome pathway Sonntag, 7. Oktober 12 Sonntag, 7. Oktober 12 Sonntag, 7. Oktober 12 Morbus Parkinson Weltweit ca 4 Millionen ca 1 Million in Amerika ca 250.000 in Deutschland zunehmend mit der demographischen Entwicklung • Untergang von Neuronen • a-Synukleinopathie Lewy Körperchen • Braak 'sches Stadiumsystem • Proteinansammlung: selbst schädigend oder Schutzfunktion ? • Proteinfaltung und Proteinbeseitigung wesentlichen Prozesse Sonntag, 7. Oktober 12 sind die Was steht im Lehrbuch? Pathologisch-anatomisch findet sich vor allem eine Degeneration der dopaminergen Neurone in der Substantia nigra und im Locus coeruleus. In der Folge kommt es zu einem Untergang der nigrostriatalen Bahnen und zu einem DopaminMangel im Corpus striatum. Die hieraus resultierende verstärkte Aktivität glutamaterger striataler Neurone verursacht die klinischen Symptome Grundkurs Neurologie, Mumenthaler, Mattle, 2002 Sonntag, 7. Oktober 12 Multifaktorielle Neurodegeneration Sonntag, 7. Oktober 12 Das neue System nach Braak? • • • Sonntag, 7. Oktober 12 Erweiterung des pathophysiologischen Modells Lewy Pathologie - Protein misfolding und abnorme Aggregation von aSynuclein 6 Stadien in der Ausbreitung der Parkinson-assoziierten Pathologie nach Braak et al. 2003 Braak et al., J Neural Transm, 2003 Sonntag, 7. Oktober 12 Braak et al., J Neural Transm, 2003 Sonntag, 7. Oktober 12 Braak et al., J Neural Transm, 2003 Sonntag, 7. Oktober 12 Neuropathologische Untersuchungen •Stadium I + II: Veränderungen im Riechnerv und in anderen Hirnnerven → Riechstörung, Schlafstörung, Obstipation •Stadium III + IV: Veränderungen in der Substantia nigra und im Mittelhirn → motorische Symptome •Stadium V + VI: Befall weiterer Hirnareale → weitere nicht-motorische Symptome, z.B. Demenz Braak et al., J Neural Transm, 2003 Sonntag, 7. Oktober 12 Morbus Parkinson • In den letzten Jahren werden Fehlfunktion der Chaperone und des Ubiquitin-Proteasom Systems als Ursache des MP angesehen • das gilt für das IPS als auch für die genetischen Formen 1997. Mihail Polymeropoulos Mutation imGen für a-Synuclein autosomal-dominate Form des MP Parkin Sonntag, 7. Oktober 12 a-Synuclein • ist ein kleines, lösliches Protein im Gehirn von Wirbeltieren, das unter anderem die DopaminAusschüttung reguliert. • Es ist in der Lage, Membrankanäle zu bilden und ist daher ein Transportprotein. • Mutationen im SNCA-Gen sind verantwortlich für die erblichen Formen 1 und 4 der Parkinson-Krankheit und der Lewy-Körperchen-Demenz. • mutiertes a-Synuclein im Übermaß lässt Dopaminneurone degenerieren Sonntag, 7. Oktober 12 a-Synuclein • Mutiertes a-Synuclein wird nicht richtig gefaltet • sammelt sich in Lewy Körperchen an • hemmt das Ubiquitin-Proteasom System • auch überzählige Kopien des normalen Gens lösen durch ein Überangebot die gleichen Mechanismen aus Sonntag, 7. Oktober 12 a-Synuclein Die Gruppe neurodegenerativer Erkrankungen, bei denen es zu einer pathologischen Akkumulation von α-Synuclein im zentralen Nervensystem kommt, bezeichnet man als Synucleinopathien. Sonntag, 7. Oktober 12 PD-Symptom: Lewy-Körper (LB) Goedert 2001 8 µm 4 µm LB enthalten: • • Fibrillen aus dem Protein α-Synuclein weitere Proteine (u.a. Ubiquitin) Sonntag, 7. Oktober 12 Fibrillen aus α-Synuclein Durchmesser: ~10 nm Länge: 200-600 nm Hoyer et al. 2004 Sonntag, 7. Oktober 12 Fibrillen aus α-Synuclein Durchmesser: ~10 nm Länge: 200-600 nm Uversky et al. 2001 Sonntag, 7. Oktober 12 Hoyer et al. 2004 Morbus Parkinson • 1998. weiteres Gen mit Bauanweisung für Parkin gefunden • juveniler MP • Chromosom 6 , rezessiv • Parkin sorgt für die Bestückung mit Ubiquitin, fehlt es werden fehlerhaft gefaltete Proteine nicht mehr beseitigt Sonntag, 7. Oktober 12 Parkin is a protein which in humans is encoded by the PARK2 gene. The protein is a component of a multiprotein E3 ubiquitin ligase complex which in turn is part of the ubiquitin-proteasome system that mediates the targeting of proteins for degradation Sonntag, 7. Oktober 12 Familiäre PD • Parkin (E3 Ubiquitin Ligase) • • Abbau von beschädigten Proteinen UCHL1 • Recycling von Ubiquitin (Ub) Ub-Markierung Proteinabbau Ub-Recycling Sonntag, 7. Oktober 12 Familiäre PD • Parkin (E3 Ubiquitin Ligase) • • Abbau von beschädigten Proteinen UCHL1 • Ubiquitin carboxy-terminal hydrolase Recycling von Ubiquitin (Ub) Ub-Markierung Proteinabbau Ub-Recycling Sonntag, 7. Oktober 12 Parkin • Die Inaktivierung des Parkin-Proteins ist auch bei sporadischen Erkrankungen von Bedeutung. In diesen Fällen führt massiver oxidativer Stress zu einer Fehlfaltung und Aggregation des Proteins. • missgefaltetes Parkin-Protein wurde im Gehirn von Patienten mit sporadischer ParkinsonErkrankung gefunden Sonntag, 7. Oktober 12 LRRK2 • 2004 wurden Mutationen im LRRK2-Gen (Leucine-rich repeat kinase 2, sprich Lark2) als Ursache für autosomal dominantes Parkinson Syndrom identifiziert. • LRRK2 Mutationen lösen familiäres als auch sporadisches PS aus • LRRK2 Mutationen in bis zu 2% sporadischer Patienten europäischer Herkunft • Von besonderem Interesse ist, dass LRRK2 Mutationen einen Krankheitsprozess initieren, dessen klinischer Ausgang komplett mit dem der idiopathischen (= ursächlich ungeklärten) Erkrankung übereinstimmt Sonntag, 7. Oktober 12 LRRK2 • LRRK2 overexpression in cells and in vivo impairs the activity of the ubiquitin-proteasome pathway, and that this accounts for the accumulation of diverse substrates with LRRK2 overexpression. • LRRK2 inhibits the clearance of proteasome substrates upstream of proteasome catalytic activity, favouring the accumulation of proteins and aggregate formation. Citation: Cell Death and Disease (2011) 2, e196; doi:10.1038/cddis.2011.81 Published online 25 August 2011 Sonntag, 7. Oktober 12 Sonntag, 7. Oktober 12 Sonntag, 7. Oktober 12 Zusammenfassung Sonntag, 7. Oktober 12 Zusammenfassung Sonntag, 7. Oktober 12 Sonntag, 7. Oktober 12 • Mutationen von α-Synuklein und die Zunahme von intrazellulärer Konzentration nicht mutierten a-Synukleins werden mit der Pathogenese der Parkinson Erkrankung verbunden • (Polymeropoulos et al., 1997; Krüger et al., 1998; Singleton et al., 2003; Zarranz et al., 2004). Sonntag, 7. Oktober 12 • Zusätzlich zum UPS wird a-Synuklein auch durch Autophagie abgebaut • (Webb et al., 2003; Cuervo et al., 2004; Lee et al., 2004; Bandhyopadhyay and Cuervo, 2007), • und das stützt die Hypothese, dass eine gestörte "autophagic degradation of α-synucleins" einen wichtigen Mechanismus in der Neurodegeneration beim Parkinson spielt • (Cuervo et al. 2004). Sonntag, 7. Oktober 12 Folie übernommen von A. Giese Sonntag, 7. Oktober 12 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Sonntag, 7. Oktober 12 Sonntag, 7. Oktober 12 ALP autophagy lysosome pathway Sonntag, 7. Oktober 12 LRRK2 • Lrrk mutants show profound defects in endolysosomal function, including impaired transport of early endosomes, dramatically enlarged lysosomes that abnormally accumulate lipid, and activation of autophagy. • Consistent with a role for lrrk in endolysosomal membrane transport, Lrrk localizes to the membranes of endosomes and lysosomes, and physically and genetically interacts with Rab5 and Rab9. Pink1 and LRRK2: Two molecular pathways to Parkinson's disease by Dodson, Mark Whiting, Ph.D., UNIVERSITY OF CALIFORNIA, LOS ANGELES, 2009, 151 pages; 3394858 Sonntag, 7. Oktober 12 Sonntag, 7. Oktober 12 Sonntag, 7. Oktober 12
