AG Huntington - Institut für Medizinische Genetik und angewandte

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GROUP
Die
Arbeitsgruppe
Chorea Huntington
Wir sind:
Stefanie Anger, Patrycja Bambynek-Dziuk, Laura Emily Clemens, Erik Karl Håkan Clemensson,
Elisavet Kyriakou, Giuseppe Manfré, Maike Nagel, Hoa Huu Phuc Nguyen*, Arianna Novati, Elisabeth Singer,
Janice Stricker-Shaver, Celina Tomczak, Jonasz Jeremiasz Weber, Libo Yu-Taeger
*Kontakt: [email protected]
Das Team
Unsere nationalen und internationalen Projekte
Proteolysis as a
therapeutic target
ModelPolyQ
T
Disease modelling
pe
ra
he
Pr
ed
ic
oaches
appr
utic
tive
mod
els
Target
id
io
Behav
Pathomechanisms
ent
ific
ati
on
lm
ur a
s
er
ark
Neuromodel
RESTRAIN
Autophagy as a therapy
Preclinical development
of therapies
Laquinimod and Pridopidine
Der Morbus Huntington (HD) ist eine autosomal dominant vererbte, progredient verlaufende, neurodegenerative
Erkrankung und ist charakterisiert durch psychiatrische Veränderungen, Demenz und Motorfunktionsstörungen.
Verursacht wird die Erkrankung durch eine Expansion eines CAG-Repeats in der kodierenden Region des HuntingtinGens. HD gehört daher zur Gruppe der Polyglutamin-Erkrankungen. Bei den meisten HD Patienten treten die ersten
Symptome zwischen dem 35. und 45. Lebensjahr auf. Die Erkrankung verläuft progredient und führt i.d.R. 15-20 Jahre
nach dem Krankheitsbeginn zum Tod. Eine heilende oder den Krankheitsverlauf verlangsamende Therapie besteht bisher
nicht. Bei Patienten mit HD findet sich neuropathologisch eine Degeneration von Nervenzellen im ZNS, überwiegend im
Corpus caudatum, Nucleus subthalamicus und Putamen. Am stärksten sind die mittelgroßen, bedornten Neurone
betroffen. Im fortgeschrittenen Stadium ist oftmals das gesamte Gehirn atrophisch. Mikroskopisch betrachtet kommt es in
Neuronen des Striatums zu einer Akkumulation von Huntingtin-Aggregaten.
Die skizzierten Projekte wurden umfangreich durch die EU, das BMBF und die CHDI Foundation gefördert. Derzeit werden
2 EU-Projekte durch uns koordiniert. Das „Phenorat“ Projekt (www.phenorat.eu) beschäftigt sich mit der Generierung,
Charakterisierung und Validierung von neuen Rattenmodellen der SCA17 und Huntington-Krankheit. Im „SwitchHD“
Projekt (www.switchhd.eu) sollen die Auswirkungen der temporären und spatialen Inaktivierung von mutiertem Huntingtin
in unserem transgenen BACHD Rattenmodell untersucht werden. Durch unsere einzigartigen Rattenmodelle sind wir
auch gefragte Ansprechpartner für die Industrie für die Medikamenten-Testung in diesen Ratten. Zurzeit haben wir
Verträge mit Piqur Therapeutics, Bayer Pharma und TEVA Pharmaceutical Industries, um verschiedene Substanzen zu
testen. Das RESTRAIN-Projekt wird durch das BMBF gefördert. In diesem Verbundprojekt wird die intranasale
Zellapplikation als Alternativmethode zur chirurgischen Transplantation von Zellen ins ZNS bzw. zur systemischen
Applikation validiert. Darüber starten wir demnächst das JPND-Projekt „ModelPolyQ“, welches die Etablierung und
Charakterisierung induzierter pluripotenter Stammzellen für verschiedene Polyglutaminerkrankungen sowie die
Generierung und Charakterisierung eines knock-in Rattenmodells für die SCA3 beinhaltet.
Unsere Tiermodelle der Chorea Huntington
Das SwitchHD Projekt
Hintergrund
Behavioural tests
In vivo silencing of mutant HTT
Neuropsychiatric tests – to assess depressive-like behaviour
2 Time points – to find the therapeutic window
Symptomatic stage
Early disease stage
0
2-bottle Preference
Tail Suspension
Mating behaviour
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11 12M
Longitudinal behaviour assessments
Forced Swim
2 Injection sites – to find the causal link between brain regions
and affected HD symptoms
Hypothalamus
Striatum
Social behaviour tests
Social interaction
1
Maternal behaviour
Neuroimaging
Diffusion tensor imaging (DTI)
In vitro analyses of cellular mechanisms
involving mHTT
Striatal and hypothalamic primary cultures are prepared and cell lysates
are collected at different time points to assess the temporal changes of
protein expressions including NMDA receptor, enkephalin receptor,
leptin receptor and neuropeptide Y receptors. Same cultures will be
used to assess the down-regulation of mHtt in the primary cultures with
mHTT silenced and compared to the untreated cultures.
Autoradiography
*
Abnormal white matter
microstructure and reduced
dopamine receptor 2 (D2R) level
in the striatum and cortex of
BACHD (TG5) rats are revealed
by DTI and autoradiography
respectively.
WT BACHD
WT BACHD
Leptin-R
NPY receptor
Eine besondere Stärke unserer Arbeit ist die Generierung und ausführliche Charakterisierung von transgenen
Rattenmodellen für neurodegenerative Erkrankungen. Wir haben u.a. zwei einzigartige transgene Rattenmodelle für den
Morbus Huntington entwickelt (Nguyen et al., J Neuroci 2006 und Yu-Taeger et al., J Neurosci 2012), welche einen
progredienten neurologischen Phänotyp aufweisen, wie er bei Huntington Patienten beobachtet wird. Eine transgene
SCA17 Ratte wurde im Rahmen des EU-Projektes RATstream hergestellt (Kelp et al., J Neurosci 2013). Diese
Rattenmodelle haben für Langzeitverlaufsmonitoring mit Verhaltenstests und PET-Scans, für Langzeitbehandlungen und
viele andere therapeutische Ansätze wie z.B. Mikrochirurgie und Stammzelltransplantation eine herausragende
Bedeutung. Diese Tiermodelle werden von uns mithilfe eines breiten Methodenspektrums dazu benutzt, um
therapierelevante pathophysiologische Mechanismen dieser Erkrankungen zu erforschen. Auch werden diese
Tiermodelle verwendet, um potentielle Biomarker zu evaluieren und neue Medikamente und Therapiestrategien zu testen.
SwitchHD ist ein gemeinsames Projekt des Neuropharma-Unternehmens QPS und unseres Institutes für Medizinische
Genetik und Angewandte Genomik. Es hat sich zum Ziel gesetzt über einen regen Austausch zwischen den Partnern die
Möglichkeiten zu untersuchen, die Symptomatik der Chorea Huntington mittels eines gentherapeutischen Ansatzes zu
behandeln. Hierzu wird zunächst in unseren Tiermodellen das Huntingtin-Gen räumlich wie auch zeitlich ausgeschaltet
und die daraus resultierenden Auswirkungen untersucht. Die hierfür notwendigen Analysen im Tiermodell werden durch
einen ganzheitlichen Ansatz bestehend aus Verhaltenstests und Neurobildgebung verwirklicht. Darüber hinaus sollen
biochemische Charakteristika der Chorea Huntington auf der molekularen Ebene durch die Verwendung neuronaler
Primärkulturen erfasst werden.
Analyse der Autophagie als therapeutisches Target
Olesoxime als potentieller Wirkstoff zur Behandlung der Chorea Huntington
AKT
TSC1
Amino acids,
growth factors,
energy excess
Primary neuronal culture
Western Blot
reduced
cleavage
reduced
calpain
activation
TSC2
PolyQ
AMPK
Rheb
PolyQ
PolyQ
Autophagy
reduced
accumulation of
toxic fragments
mTORC2
mTORC1
PRAS40
mTOR
ULK
mTOR
p62
Ca2+
Ca2+
balance
PolyQ
PolyQ
PolyQ
PolyQ
LC3
Protein
biosynthesis
and
cell growth
mRNAtranslation
and
proliferation
p62 p62
p62
p62
PolyQ
PolyQ
mHTT
p62
Die molekularen Ursachen des Morbus Huntington sind bis zum jetzigen Zeitpunkt nicht vollständig geklärt. Die Expansion
im Huntingtin Gen allerdings führt zu einer Fehlfaltung des Proteins, die wiederum dazu führt, dass sich Aggregate bilden
und es zu Störungen in grundlegenden zellulären Vorgängen kommt.
Es konnte gezeigt werden, dass die Induktion von Autophagie zu einer Verbesserung der Zellviabilität in verschiedenen
Modellen führt. Autophagie ist der Hauptabbauprozess für große und aggregierte Proteinkomplexe und bietet daher einen
möglichen Ansatzpunkt für neue Therapien von Proteopathien. Für die Induktion der Autophagie untersuchen wir neben
der Inhibition von mTOR durch Rapamycin auch andere Kinasen, wie zum Beispiel AMPK, die auch zu einer mTOR
unabhängigen Induktion der Autophagie führen. Wir konnten zeigen, dass dies zu einer Verbesserung des HD Phänotyps
in in vitro Modellen führt. Auch die Weiterentwicklung der mTOR Inhibitoren ist vielversprechend, da deren
Gehirngängigkeit und Effizienz der Inhibition eine Anwendung in neurodegenerativen Erkrankungen ermöglicht.
improved
mitochondrial
function
Ein molekulares Charakteristikum der Chorea Huntington ist eine auftretende Calcium-Dyshomöostase in betroffenen
Neuronen und damit verbunden die Aktivierung Calcium-abhängiger Proteasen, der sogenannten Calpaine. Diese
Enzyme wurden mit der Proteolyse von Huntingtin assoziiert und darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass gerade die
Polyglutamin-enthaltenden Fragmente von Huntingtin sich negativ auf die zelluläre Calcium-Homöostase auswirken
können. Somit ergibt sich ein Teufelskreis der möglicherweise Grundlage der neurodegenerativen Prozesse ist.
Mittels des Wirkstoffes Olesoxime, eines cholesterin-ähnlichen Moleküls, der an den mitochondrialen Calciumkanal
VDAC1 bindet, ist es uns gelungen in zwei Tiermodellen typische molekulare und phänotypische Charakteristika der
Chorea Huntington zu mildern. Unsere weitere Zielsetzung ist es, unser Verständnis über die molekulare Wirkungsweise
von Olesoxime zu verbessern und dieses Wissen auch bei anderen Polyglutamin-Erkrankungen anzuwenden, die viele
Gemeinsamkeiten mit der Pathogenese der Chorea Huntington aufweisen.
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