Pathogener Mechanismus von -Synuclein in einem HiPSC-Modell der Parkinson-Krankheit

Abstrakt

-Synuclein spielt eine immer wichtigere Rolle in der Pathologie verschiedener neurodegenerativer Erkrankungen. Die Parkinson-Krankheit (PD) ist eine neurodegenerative Erkrankung, die hauptsächlich die dopaminergen (DA) Neuronen in der Substantia nigra des Gehirns betrifft. Typisch für die PD-Pathologie ist der Nachweis von Proteinansammlungen, die als „Lewy-Körperchen“ bezeichnet werden, in den betroffenen Gehirnregionen. -Synuclein ist an vielen Krankheitszuständen beteiligt, darunter Demenz mit Lewy-Körperchen (DLB) und Alzheimer-Krankheit. Die Parkinson-Krankheit ist jedoch die häufigste Synukleinopathie und bildet im Hinblick auf die Lewy-Körperchen-Pathologie des -Synuclein-Syndroms weiterhin einen wichtigen Schwerpunkt der PD-Forschung. Mutationen in mehreren Genen sind mit der Parkinson-Krankheitsentwicklung verbunden, einschließlich SNCA, das -Synuclein kodiert. Zur Untersuchung der Physiologie und Pathophysiologie von Synuclein wurden verschiedene Modellsysteme eingesetzt, um einen engeren Bezug zur Parkinson-Pathologie herzustellen. Zu diesen Modellen gehören zelluläre und tierische Systeme, die transgene Technologien, virale Vektorexpression, Knockdown-Ansätze und Modelle zur Untersuchung der potenziellen Prionprotein-ähnlichen Wirkungen von -Synuclein erforschen. Die aktuelle Übersicht konzentriert sich auf Modelle menschlicher induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSC) mit besonderem Schwerpunkt auf Mutationen oder Multiplikationen des SNCA-Gens. iPSCs sind eine sich schnell entwickelnde Technologie mit großem Potenzial für die Untersuchung normaler Physiologie und Krankheitsmodellierung in vitro. Die Fähigkeit, den genetischen Hintergrund eines Patienten zu bewahren und ähnliche Zellphänotypen zu reproduzieren, macht iPSCs zu einem leistungsstarken Instrument bei der Untersuchung neurologischer Erkrankungen. Diese Übersicht konzentriert sich auf das aktuelle Wissen über die physiologische Funktion von -Synuclein sowie seine Rolle bei der PD-Pathogenese basierend auf menschlichen iPSC-Modellen.

Schlüsselwörter

-Synuclein-Pathogenese; hiPSC-Modelle; Parkinson-Krankheit; Neurodegenerative Krankheiten;Cistanche-Vorteile.

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Einführung

Neurodegenerative Erkrankungen sind eine Gruppe fortschreitender Erkrankungen, die durch den Tod neuronaler Zellen gekennzeichnet sind. Ausgenommen sind Erkrankungen, die primär mit Ischämie, Infektion oder Malignität zusammenhängen [1]. Neurodegenerative Erkrankungen sind die häufigsten altersbedingten Erkrankungen des Menschen, treten immer häufiger auf und betreffen Millionen von Menschen weltweit. Trotz erheblicher wissenschaftlicher und klinischer Forschungsanstrengungen mangelt es immer noch an wirksamen Therapien. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Lücken in unserem Verständnis der physiologischen und pathologischen Prozesse zu schließen, die der Neurodegeneration zugrunde liegen, um die Entwicklung gezielter und wirksamer Behandlungsstrategien zu erleichtern. In den letzten 25 Jahren wurden viele zelluläre und molekulare Mechanismen identifiziert, die mit der neuronalen Degeneration verbunden sind. Die bekanntesten davon sind die Ablagerung von Proteinaggregaten [2], mitochondriale DNA-Mutationen [3] und oxidativer Stress [4]. Die Bildung abnormaler Aggregate physiologischer Proteine ​​hat großes Interesse gefunden und gilt als Schlüsselmerkmal vieler neurodegenerativer Erkrankungen, die heute in sogenannte Proteinopathien eingeteilt werden [5]. Neurodegenerative Proteinopathien stellen eine Gruppe von Krankheiten dar, die durch unangemessene Aggregation, Ablagerung und/oder Akkumulation eines normalen Proteins, das eine signifikante normale physiologische Funktion hat, definiert sind. Proteinopathien werden anhand des Hauptproteins klassifiziert, das in diesen Ablagerungen vorkommt. Daher enthalten Tauopathien überwiegend τ-Protein und TDP-43-Proteinopathien enthalten TDP-43 [6]. -Synuclein ist ein Schlüsselmitglied dieser Gruppe von Proteinen, die an neurodegenerativen Erkrankungen beteiligt sind.

-Synuclein spielt nachweislich eine Schlüsselrolle bei der Pathologie verschiedener neurodegenerativer Erkrankungen, die als Synucleinopathien bezeichnet werden. -Synuclein wird vom SNCA-Gen kodiert, das sich auf Chromosom 4 (4q21.3-22) befindet, und Mutationen in diesem Gen zeigen ein autosomal-dominantes Vererbungsmuster. Es wurde gezeigt, dass Mutationen in diesem Gen zur Akkumulation und Aggregation von -Synuclein führen, was bei vielen Arten von neurodegenerativen Erkrankungen auftritt [7–9]. Bekannte Krankheiten wie die Parkinson-Krankheit (PD), Demenz mit Lewy-Körperchen (DLB) und Multisystematrophie (MSA) werden in dieser Gruppe erfasst, aber auch weniger häufige Pathologien wie neuroaxonale Dystrophien und reines autonomes Versagen (PAF). oder REM-Schlaf-Verhaltensstörung [10].

Derzeit steht ein breites Spektrum an Modellsystemen zur Verfügung, die die Untersuchung von Synukleinopathien unterstützen. Tiermodelle liefern wertvolle Informationen über Verhaltensänderungen, die mit neuronalen Veränderungen einhergehen, doch Artenunterschiede stellen ein Hindernis für die Erlangung humanübersetzbarer krankheitsspezifischer Phänotypen dar. Zelluläre Modelle haben den Vorteil, dass sie eine schnelle Entwicklung der Pathologie ermöglichen, kostengünstig sind und leichter genetisch manipuliert werden können, was insbesondere bei molekularen und zellulären Studien an Interesse gewinnt. In den letzten 14 Jahren hat das Aufkommen der Technologie induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSC) unser Verständnis patientenspezifischer molekularer Krankheitsmechanismen sowie die Entwicklung potenzieller neuer Therapeutika und Arzneimittel-Screenings erheblich erweitert. Diese Technologie basiert auf der Fähigkeit, krankheitsspezifische Fibroblasten von Patienten neu zu programmieren, indem die Expression spezifischer Transkriptionsfaktoren (am häufigsten Oct4, Sox2, cMyc und Klf4) erzwungen wird, was zu einem pluripotenten Zustand führt. Anschließend werden diese pluripotenten Zellen in spezifische somatische reife Zellen von Interesse differenziert [11]. Diese Art von Ansatz wird allgemein als „Disease in a Dish“-Modellierung bezeichnet [12] (Abbildung 1). Diese Methodik hat den Vorteil, dass der vollständige genetische Hintergrund des Patienten erhalten bleibt und dass die Auswirkungen bestimmter Schlüsselmutationen auf die Pathophysiologie untersucht werden können, was die Charakterisierung wichtiger zellulärer mutationsbasierter Phänotypen bei komplexen Krankheiten wie der Parkinson-Krankheit ermöglicht [13].

Dopaminerge (DA) Neuronen sind der Hauptzelltyp, der zur Untersuchung der Neurodegeneration bei Parkinson unter Verwendung verschiedener Protokolle verwendet wird. Die meisten Protokolle beinhalten die erzwungene Expression von LMX1A, das einen Transkriptionsfaktor kodiert, der für die Identität des ventralen Mittelhirns entscheidend ist, und verfolgen einen Dual-SMAD-Inhibitionsansatz. Dieser Prozess basiert auf der Verwendung der Verbindungen Noggin und SB431542, die als Inhibitoren der Signaltransducer-Proteinfamilie SMAD (ein Akronym aus der Fusion der SMA-Gene von Caenorhabditis elegans und dem Drosophila MAD, Mothers against decapentaplegic) wirken, die Schlüsselregulatoren von sind Zellwachstum [14–16]. In jüngerer Zeit kann die Differenzierung durch die erzwungene Überexpression der Faktoren ASCL1, NURR1 und LMX1A gesteuert werden [17]. Die Neuprogrammierung von PD-Patientenzellen und die Differenzierung in DA-Neuronen wurden an anderer Stelle ausführlich besprochen [18,19].

In Anerkennung der wertvollen Informationen, die iPSC-Modelle bieten, und der Bedeutung von -Synuclein bei der Neurodegeneration konzentriert sich dieser Aufsatz auf die Erkenntnisse aus der Untersuchung von SNCA-Mutationen in iPSC-Modellsystemen sowie der Untersuchung der -Synuclein-Aggregation und -Toxizität. In diesem Zusammenhang werden einige relevante Fragen diskutiert: Sind Mutationen im SNCA-Gen der einzige Auslöser der -Synuclein-Aggregation? Was ist die pathogene Wirkung von SNCA-Mutationen im Unterschied zur -Synuclein-Aggregation?

-Synuclein: Struktur und normale physiologische Funktion

Basierend auf der vorhandenen Literatur ist -Synuclein ein 14-kDa-Protein, das allgegenwärtig in präsynaptischen Terminals des Gehirns exprimiert wird, vorwiegend in erregenden Neuronen, über das erstmals 1988 berichtet wurde [20]. Die native Struktur eines -Synuclein-Proteins ist immer noch umstritten, wird jedoch unter normalen physiologischen Bedingungen als nativ entfaltetes Protein angesehen [21,22]. Daher kann seine Struktur je nach Veränderungen in der lokalen Umgebung variieren [23], wo es mit Lipiden [24] oder Metallen [25] interagieren kann. Es wird angenommen, dass Veränderungen in der Struktur von Synuclein mit seiner pathologischen Fehlfaltung und Aggregation zusammenhängen, die häufig bei Synucleinopathien auftritt [26]. Beispielsweise wurde beobachtet, dass die durch Mutationen wie E35K und E57K induzierte Bildung von -Synuclein-Oligomeren die Permeabilität und Integrität der Zellmembran beeinträchtigt und den Zelltod begünstigt [27]. Während viele Faktoren zur aberranten -Synuclein-Produktion und -Aggregation beitragen können, sind Mutationen des SNCA-Gens, das für -Synuclein kodiert, einer der Hauptverursacher. Dieses Gen war die erste Mutation, über die bei autosomal-dominanter Parkinson-Krankheit berichtet wurde [28] mit späterer Assoziation mit DLB [ 8]. Die genaue physiologische Funktion von -Synuclein ist noch unbekannt, es wurden jedoch verschiedene Rollen im Zusammenhang mit der synaptischen Funktion identifiziert. Zu diesen Funktionen gehören die Vesikelclusterung, das Recycling und die Aufrechterhaltung des synaptischen Vesikelreservepools [29,30]. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass -Synuclein die Bildung des SNARE-Komplexes fördert, was die Freisetzung von Neurotransmittern steigert [31]. Darüber hinaus ist es auch an der Regulierung des intrazellulären Transports durch Interaktion mit mehreren Mitgliedern der Rab-GTPase-Familie [32] sowie an der Keimbildung und Wachstumsgeschwindigkeit von Mikrotubuli beteiligt [33]. Andere Studien, die auf Daten aus PD-Gehirnen basieren, zeigen, dass -Synuclein auch den Dopaminspiegel regulieren kann, indem es die DAT-Aktivität beeinflusst [34]. Erhöhte Dopaminspiegel können als Folge von oxidativem Stress zu Zellschäden führen [35]. In jüngerer Zeit wurde gezeigt, dass -Synuclein die Phospholipase D (PLD) hemmt, die für die Umwandlung von Phosphatidylcholin in Phosphatidsäure verantwortlich ist und neuronale Prozesse wie Wachstum, Differenzierung und die Freisetzung von Neurotransmittern sowie die DA-Neurodegeneration moduliert [36,37]. Es wurde auch berichtet, dass Synuclein eine Rolle bei Neuroinflammationen spielt, indem es eine Immunantwort auslöst. Extrazelluläres Synuclein kann die Aktivierung und Proliferation von Immunzellen, die Sekretion von Zytokinen und die Phagozytose auslösen [38,39].

-Synuclein-Phänotyp in SNCA-mutierten iPSC-abgeleiteten Modellen

iPSCs bieten mehrere Vorteile gegenüber anderen Modellsystemen: Sie verfügen über einen unbegrenzten Vorrat an klinisch relevanten phänotypischen Zellen menschlichen Ursprungs und bewahren gleichzeitig die ursprünglichen genomischen Merkmale des Patienten, einschließlich Genmutationen oder Chromosomenanomalien. Die wichtigsten SNCA-Varianten im Zusammenhang mit genetischer Parkinson-Krankheit, einschließlich der Verdreifachungen/Duplikationen (40) und Missense-Punktmutationen wie A53T (41), A30T (42) oder E46K (9), wurden in iPSCs modelliert. Aufgrund der hohen Prävalenz von Verdreifachungen oder A53T-SNCA-Mutationen bei PD-Patienten konzentriert sich die überwiegende Mehrheit der bisherigen iPSC-Modelle auf diese beiden Mutationstypen, und ihre charakteristischen Phänotypen sind in Abbildung 2 zusammengefasst.

iPSC-Modelle der SNCA-Triplikation

Die SNCA-Genvermehrung ist mit einem jüngeren Erkrankungsalter der Parkinson-Krankheit und einer erhöhten Schwere der Symptome verbunden. Verdreifachungen von SNCA führen zur Erzeugung zusätzlicher Kopien des SNCA-Gens und zur Überexpression von Wildtyp-Synuclein, was zur Bildung toxischer Aggregate und weit verbreiteter neuronaler Schädigung führt [43], was auf eine dosisabhängige Wirkung von -Synuclein bei der Krankheitsverursachung schließen lässt. SNCA-Triplikationsträger weisen einen schwerwiegenderen Phänotyp auf und zeigen einen schnelleren Krankheitsverlauf als Duplikationsträger und weisen in vielen Fällen zusätzliche motorische Merkmale auf [44]. Die neuropathologische Untersuchung der Gehirne von PD-Patienten mit SNCA-Triplikation zeigt eine schwere Degeneration der Substantia nigra, einen bemerkenswerten neuronalen Verlust und eine Vakuolisierung im temporalen Kortex sowie eine weit verbreitete Ansammlung von Lewy-Körpern [45]. Diese Pathologie spiegelt sich in iPSC-abgeleiteten DA-Neuronen mit SNCA-Triplikation wider, die erhöhte -Synuclein-mRNA-Spiegel aufweisen, was zu abnormalen und erhöhten Proteinexpressionsniveaus führt [46]. Darüber hinaus weisen iPSC-abgeleitete Neuronen, die diese Mutation beherbergen, ein höheres Maß an -Synuclein-Phosphorylierung auf, was häufig in Parkinson-Gehirnen vorkommt [47], sowie einen abnormalen Anstieg von -Synuclein-Aggregaten und Lewy-Körpern [9,48].

iPSC-Modelle liefern nun auch zusätzliche Informationen über die zugrunde liegenden molekularen Pfade mit SNCA-Triplikationen. Es wurde festgestellt, dass der Stress des endoplasmatischen Retikulums (ER) und die Aktivierung der ungefalteten Proteinantwort (UPR) in von iPSC abgeleiteten Neuronen aktiviert werden, die eine SNCA-Verdreifachung beherbergen (49). Dies zeigt die entscheidende Rolle, die das ER bei der Eliminierung fehlerhafter Proteinaggregate innerhalb der Zelle spielt, was zu ER-Stress und einem damit verbundenen UPR führt, wenn die ER-Kapazität überschritten wird.

Normale neuronale Prozesse werden durch die SNCA-Triplikation beeinflusst und iPSC-Modelle haben gezeigt, dass die neuronale Differenzierung und Reifung durch die SNCA-Triplikation verändert wird. SNCA-Triplikations-iPSC-abgeleitete Neuronen sind nicht in der Lage, ein typisches komplexes neuronales Netzwerk zu erzeugen, ihre Proliferationskapazität aufrechtzuerhalten und subtile Veränderungen in der Differenzierungskapazität zu zeigen. Diese Veränderungen werden weiter durch die signifikanten Verringerungen beobachtet, die bei Genen im Zusammenhang mit der Differenzierung wie DLK, GABABR2 und NURR1 beobachtet wurden, sowie durch eine Verringerung der Länge des Neuritenauswuchses [46,47]. Diese Daten deuten auf einen Verlust der Regenerationsfähigkeit hin, der den neuronalen Verlust bei Parkinson-Patienten noch verstärken kann.

Obwohl -Synuclein überwiegend in präsynaptischen Nervenendigungen lokalisiert ist, kommt ein kleiner Teil auch in Zellkernen vor. iPSC-Neuronen mit SNCA-Triplikation zeigen Veränderungen in der Genomstruktur, die zu DNA-Schäden führen [50]. Diese iPSC-abgeleiteten Neuronen exprimieren aberrante Alterungsphänotypen, was durch die verringerte Expression von Heterochromatin-Markern weiter belegt wird und eine abnormale Kernhülle zeigt [48] sowie eine Beeinträchtigung der Genomintegrität, die zu DNA-Strangbrüchen und Zelltod führt [50].

Mitochondriale Dysfunktion ist ein häufiges Merkmal des neuronalen Verlusts und das Hauptorganell, das von der -Synuclein-Pathologie betroffen ist. Dementsprechend ist es üblich, mitochondriale Beeinträchtigungen in iPSC-abgeleiteten SNCA-Triplikationsneuronen zu finden [51]. Eine mitochondriale Beeinträchtigung äußert sich in Veränderungen im Energiestoffwechsel als Folge einer Störung wesentlicher Prozesse wie der Atmungskapazität und der ATP-Produktion [52]. Wenn SNCA-Triplikations-iPSC-abgeleitete Neuronen geringen Konzentrationen des Calciumionophors Ferritin oder laserinduzierten ROS ausgesetzt werden, sind sie im Vergleich zu Kontrollneuronen anfälliger für die Bildung von Permeabilitätsübergangsporen (PTPs) [53]. Mehrere Studien zeigen auch, dass SNCA-Mutationen eine erhöhte Grundempfindlichkeit gegenüber Toxin-induziertem oxidativem Stress aufweisen, der durch Metallionen-Wechselwirkungen verstärkt werden kann [54]. Die Exposition von SNCA-Triplikations-iPSC-abgeleiteten Neuronen gegenüber Toxinen wie 6OHDA führt zu einem erhöhten Zelltod und einer erhöhten Caspase-3-Aktivierung [47] sowie zu einer Zunahme der Autophagosomen [46]. Diese Ergebnisse werden außerdem durch erhöhte Konzentrationen von Markern für oxidativen Stress wie DNAJA1, HMOX2, UCHL1 und HSPB1 gestützt, die am Schutz der Zelle vor oxidativen Schäden beteiligt sind, sowie durch MAOA, das bei Überexpression in diesen Neuronen eine Quelle für oxidativen Stress darstellt [ 55].

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iPSC-Modelle der SNCA-A53T-Mutation

Von iPSC abgeleitete Neuronen mit der A53T-Mutation zeigen im Vergleich zu Kontrollneuronen eine höhere Tendenz zur Produktion von -Synuclein-Oligomeren und -Aggregaten. Dies stimmt gut mit dem überein, was im menschlichen Gehirn bei Patienten beobachtet wird, die die gleiche Mutation tragen [41,56]. Die SNCA-A53T-Missense-Mutation wurde als erste identifiziert und ist die häufigste Mutation bei PD-Patienten [28]. Die A53T-Mutation ist im Vergleich zu anderen Missense-Punktmutationen mit einem etwa 10- Jahre früheren Erkrankungsalter verbunden [44]. Die A53T-Mutation stabilisiert das -Synuclein-Protein in -Faltblättern, was zu einer schnelleren Fibrillenbildung als toxischem Funktionsgewinn führt und zum frühen Auftreten der familiären Parkinson-Krankheit beiträgt [26,57]. Von iPSC abgeleitete Neuronen zeigen auch eine Dysregulation bei der Proteinproduktion und transkriptionsbezogenen mRNAs aufgrund der Wechselwirkung von A53T-mutiertem -Synuclein mit essentiellen Transkriptionsfaktoren, Ribonukleoproteinen und ribosomalen Proteinen, basierend auf genomweiten Analyseberichten [58]. Eine andere Studie zeigte jedoch eine Abnahme des Tetramers/Monomers-Verhältnisses in SNCA-A53T-iPSC-abgeleiteten Neuronen im Vergleich zur Kontrolle, was darauf hindeutet, dass bestimmte Konformationen wie Tetramere das Protein stabilisieren und die bei einigen Oligomeren beobachteten toxischen Wirkungen verhindern können [59].

Wie für die SNCA-Verdreifachung in iPSC-abgeleiteten Neuronen berichtet, ist das UPR-System auch bei SNCA-A53T-iPSC-abgeleiteten Neuronen gestört. Damit verbunden ist eine Verringerung der Expression des IRE-Faktors, der ein wesentlicher Bestandteil dieses Prozesses ist [60]. Der eng verwandte Weg des lysosomalen Stresses ist auch in A53T-mutierten iPSC-abgeleiteten Neuronen gestört, wo -Synuclein Ykt6 bindet und deaktiviert, was zu einer Proteinaggregation führt, die für Neuronen toxisch sein kann [61].

Ähnlich wie die dystrophischen Neuritenmuster, die in SNCA-Triplikationsneuronen beobachtet werden, ist dies auch bei SNCA-A53T-iPSC-abgeleiteten Neuronen der Fall [56]. In SNCA-A53T-iPSC-abgeleiteten Neuronen sind geschwollene Krampfadern und große Sphäroideinschlüsse vorhanden, die mit einer frühen Neuritendegeneration zusammenhängen. Diese Veränderungen führen zu einer Störung der Bildung neuronaler Netzwerke mit deutlich reduzierten synaptischen Kontakten [62]. Die synaptische Aktivität in SNCA-A53T-iPSC-abgeleiteten Neuronen wird durch die beobachtete Herunterregulierung wichtiger prä- und postsynaptischer Zelladhäsionsproteine ​​beeinträchtigt [62]. Darüber hinaus führt die Beeinträchtigung dieser Prozesse zu einer Veränderung der synaptischen Aktivität mit einer größeren mittleren Amplitude bei einer größeren Anzahl spontaner Ca2-Plus-Transienten [56].

In SNCA-A53T-Neuronen ist der anterograde mitochondriale Transportprozess gestört, was offenbar mit der Nitrierung der Mikrotubuli und der Unfähigkeit zur Interaktion mit mitochondrialen Transportkomplexen zusammenhängt [63]. In ähnlicher Weise zeigen SNCA-A53T-iPSC-abgeleitete Neuronen eine Verzögerung der Mitophagie im Zusammenhang mit der Hochregulierung von Miro1, einem Schlüsselprotein, das am mitochondrialen Transport beteiligt ist [64]. Auch die Morphologie der Mitochondrien verändert sich zu einer kreisförmigeren und unverzweigteren Form mit einer deutlichen Verringerung ihres Membranpotentials in mutierten Neuronen [60]. Darüber hinaus sind die antioxidativen Signalwege erhöht, wahrscheinlich als Kompensationsmechanismus als Reaktion auf den Anstieg des mitochondrialen Stresses. Es wurde spekuliert, dass dies auf erhöhte Katalasespiegel oder den Peroxisom-Proliferator-aktivierten Rezeptor-Coaktivator 1- (PGC1-) zurückzuführen ist [60]. Alle diese Faktoren tragen zu einem proapoptotischen Phänotyp bei, der bei der SNCA-A53T-Mutation vorliegt. Es kommt zu einem Anstieg der Expression von Proteinen, die mit der Autophagie zusammenhängen, wie z. B. p62 oder dem Autophagosomenmarker LC3 [60]. Dieser Prozess verschlimmert sich besonders bei SNCA-A53T-iPSC-abgeleiteten Neuronen nach Exposition gegenüber Agrochemikalien [41].

Weitere Faktoren, die die Synuclein-Aggregation und -Pathologie beeinflussen, wurden in iPSC-Modellen gefunden

Obwohl das Vorhandensein von Mutationen in SNCA ein Schlüsselfaktor ist, der die Proteinfaltung und -aggregation zu toxischen Spezies bestimmt, wurde gezeigt, dass auch andere Faktoren und Variablen in diesem Prozess eine Rolle spielen. Von iPSC abgeleitete Neuronen mit Mutationen in anderen Genen zeigen ebenfalls -Synuclein-Aggregation und zeigen toxische Wirkungen. Von iPSC abgeleitete Neuronen mit der LRRK2-G2019S-Mutation weisen erhöhte Konzentrationen an -Synuclein auf und weisen im Vergleich zu Kontrollen signifikante Aggregationen auf [65]. Darüber hinaus reagieren diese Neuronen empfindlich auf übermäßige Degeneration, wenn sie vorgeformten Synuclein-Fibrillen (PFF) ausgesetzt werden. Interessanterweise erwies sich dieser Effekt als reversibel; wenn die Mutation in isogenen Kontrollen korrigiert wurde, wurde die Aggregatbildung abgeschwächt [66]. Darüber hinaus wurde aufgrund der unterschiedlichen Expression des Thioredoxin-interagierenden Proteins (TXNIP) in Organoidkulturen von iPSC-abgeleiteten Neuronen mit der LRRK2-G2019S-Mutation ein weiterer Faktor gefunden, der die Synuclein-Aggregation beeinflusst. TXNIP wurde zuvor als Risikofaktor für Parkinson identifiziert und seine Mutation und unterschiedliche Expression führen zu einer beschleunigten Akkumulation von -Synuclein in LRRK2 G2019S-Neuronen [67]. TXNIP-Mutationen sind auch mit Defiziten in den Autophagiemechanismen verbunden, die zu einer erhöhten Akkumulation von -Synuclein in Neuronen beitragen [68]. Alle diese Daten stimmen auch mit den Erkenntnissen aus menschlichen Gehirnproben überein, die eine ausgedehnte -Synuclein-Pathologie bei PD-Patienten mit LRRK2-G2019S-Mutation zeigen [69].

Das Parkin-Gen (PARK2), das für die E3-Ubiquitin-Ligase kodiert, ist ein weiterer wichtiger Faktor in iPSC-Studien zu -Synuclein. Aktuelle Studien zeigen einen signifikanten Anstieg der -Synuclein-Spiegel und -Aggregation in iPSC-abgeleiteten Neuronen von Patienten mit PARK2-Mutationen im Vergleich zu Kontrolllinien [70,71]. Das Fehlen von Lewy-Körpern in den Gehirnen von PD-Patienten mit Parkin-Mutationen macht diesen detaillierten Zusammenhang jedoch unklar, was darauf hindeutet, dass Parkin selbst mit dem -Synuclein-interagierenden Protein Synphilin-1 interagieren und es ubiquitinieren und die Lewy-Körper-Einschlüsse fördern könnte [72] . Es gibt auch Hinweise auf seltene genetische Risikofaktoren für Parkinson wie CHCHD2, die einen Anstieg der unlöslichen Synuclein-Akkumulation in iPSC-abgeleiteten DA-Neuronen zeigen, die die CHCHD2-T61I-Mutation tragen [73].

iPSC-Modellsysteme waren von unschätzbarem Wert, um diese Zusammenhänge aufzuzeigen und den Nutzen und das Potenzial hervorzuheben, die die iPSC-Technologie für die komplexe molekulare Kartierung der -Synuclein-Neurodegeneration bei Parkinson bringen kann.

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Einschränkungen von iPSC-Modellen von Krankheitsmodellen

Trotz der vielen Vorteile, die die iPSC-Technologie bei der Krankheitsmodellierung bietet, gibt es noch einige Einschränkungen und Herausforderungen, die es zu überwinden gilt. Erstens ist die häufigste Herausforderung die Tumorgenität, die während des Reprogrammierungsprozesses mithilfe retroviraler und lentiviraler Reprogrammierungsmethoden induziert werden kann. Die unbekannten oder nicht gemessenen Auswirkungen des Umprogrammierungsprozesses sind ein potenzieller Störfaktor bei der Beurteilung der wirklich repräsentativen Natur von iPSCs als krankheitsspezifische Modelle. Es sollte jedoch beachtet werden, dass neuere Protokolle integrationsfreie Methoden wie Sendai-Virus oder DNA-Vektoren verwenden und dazu beitragen, diese Probleme zu minimieren [74,75]. Eine weitere Hürde, die bei Stammzellstudien bekannt ist, ist die intrinsische Variabilität von iPSCs, die von verschiedenen Spendern oder Klonen desselben Spenders erzeugt wurden. Diese Variabilität ist in manchen Fällen schwer in Einklang zu bringen, da es sich um einen Patienteneffekt oder einen Protokolleffekt handeln kann. Durch die Neuprogrammierung soll der epigenetische Fingerabdruck der Zellen des Spenders vollständig zurückgesetzt werden, was tatsächlich zu einem verzerrten Differenzierungspotenzial in bestimmte Zelltypen führen kann [76]. Einige Daten scheinen jedoch zu zeigen, dass das epigenetische Gedächtnis in Kultur mit der Zeit abnimmt [77]. . Eine der Haupteinschränkungen von iPSCs bei der PD-Modellierung ist die Generierung von DA-Neuronen mit einem Alterungsphänotyp. Studien haben gezeigt, dass der Umprogrammierungsprozess eine gealterte Zelle in einen jugendlicheren Zustand versetzt, wobei Phänotypen längere Telomere, weniger oxidativen Stress und eine kompetente mitochondriale Organisation aufweisen [78,79]. Typischerweise nutzen alle Zellen zahlreiche Qualitätskontrollmaßnahmen, um die normale physiologische Funktion zu schützen. Daher ist es möglich, dass sich phänotypische Defekte erst manifestieren, wenn Schutzwege zusammenbrechen. Daher ist die Erzeugung eines gealterten Phänotyps eine komplexe Aufgabe, aber einige neuere Daten deuten auf die Möglichkeit hin, einen gealterten Phänotyp durch die Zugabe von Progerin, einer verkürzten Form von Lamin A, zu induzieren, was mit vorzeitiger Alterung [80] und Telomerasehemmung [81] verbunden ist. Es gibt einige Probleme bei der Verwendung von iPSC-abgeleiteten Neuronen zur Modellierung von Krankheiten und insbesondere altersbedingten Krankheitszuständen. Trotz der Herausforderungen und potenziellen Fallstricke sind von iPSC abgeleitete Neuronen eine wertvolle Ressource bei der Modellierung der Synuclein-Pathologie.

Zukünftige Richtungen mit iPSC-Modellen der -Synuclein-Pathologie

Von iPSC abgeleitete Neuronen ermöglichen es uns, eine „Krankheit in einer Schüssel“ zu erzeugen, erleichtern aber auch die detaillierte Untersuchung der physiologischen Wege, die Krankheitszuständen in vitro zugrunde liegen. -Synuclein-aggregierte Spezies finden sich im Gehirn der meisten Hirn-PD-Patienten und iPSCs sind ein leistungsstarkes Instrument zur Untersuchung der Beziehung zwischen -Synuclein und Neurodegeneration und zur Erforschung der physiologischen und pathophysiologischen Rolle von -Synuclein. Die Daten aus neuronalen iPSC-abgeleiteten Modellen spezifischer genetischer Mutationen im Zusammenhang mit der Parkinson-Krankheit nehmen zu und zeigen starke Korrelationen mit Daten aus menschlichen Gehirnproben [9]. Insbesondere im Fall von SNCA-Mutationen, die in der Parkinson-Population weit verbreitet sind, ist es von entscheidender Bedeutung, dass iPSCs als Modell den Krankheitszustand gut rekapitulieren können. Die hier überprüften Daten legen nahe, dass iPSCs tatsächlich ein hervorragendes Modell zur Untersuchung der Physiologie und Pathophysiologie von SNCA-Mutationen sind.

Typischerweise führen SNCA-Mutationen zur Stabilisierung und Aggregation oder Fibrillierung von -Synuclein in Lewy-Körpern zusammen mit anderen Proteinen. Sobald diese aggregierten Spezies in der Zelle vorhanden sind, interagieren sie mit anderen Zellstrukturen wie Mikrotubuli, beeinträchtigen den axonalen Mitochondrientransport und führen letztendlich zu einer Degeneration der synaptischen Terminals und zum Zellverlust [9,26]. Darüber hinaus werden wichtige mitochondriale Funktionen durch die Wechselwirkung von -Synuclein-Oligomeren mit ATP-Synthasen gestört, wie z. B. die Öffnung von PTPs, eine Beeinträchtigung der Atmung und die Induktion der Lipidperoxidation [53]. Darüber hinaus aggregiert -Synuclein die Interaktion mit Proteinen, die an der Mitophagie beteiligt sind, und verhindert die ordnungsgemäße Beseitigung defekter Mitochondrien aus dem Zellinneren [64]. Es wurde auch vermutet, dass Wechselwirkungen von -Synuclein-Oligomeren mit Metallionen die Bildung freier Radikale in Neuronen induzieren, was zu einer Störung der normalen Zellphysiologie und damit zum Zelltod führt [54]. Die meisten Phänotypen, die von iPSC-abgeleiteten Neuronen angezeigt werden, kommen auch im menschlichen Gehirn vor, was die Eignung der iPSC-Modellierung nicht nur für die Nachahmung der physiologischen und pathologischen Bedingungen der Zelle unterstreicht, sondern auch ihre potenzielle Rolle als Plattform zur Offenlegung neuartiger Daten, die dies möglicherweise zuvor getan haben verließ sich auf die Entnahme von Gehirnbiopsien von verstorbenen Patienten.

Die Krankheitsmodellierung mit iPSCs hat wichtige unterstützende Beweise dafür geliefert, dass Beeinträchtigungen anderer zellulärer Mechanismen in einigen Fällen die Aggregation und Akkumulation von Synuclein induzieren können. iPSC-abgeleitete Neuronen von Parkinson-Patienten, die Mutationen in LRRK2 oder Parkin tragen, verdeutlichen diese Wechselwirkungen. Beispielsweise wird vermutet, dass die Ubiquitinierung von Synphilin-1 in iPSC-abgeleiteten Neuronen, die Parkinmutationen tragen, eine Zwischenrolle bei der Induktion der Lewy-Körperbildung spielt [72]. Darüber hinaus ist einer der Schlüsselmechanismen, die zur Akkumulation von -Synuclein beitragen, defekte Autophagie und lysosomale Proteolyse, die eine entscheidende Rolle bei der Beseitigung defekter Aggregate spielen. Diese Prozesse sind nachweislich in LRRK2-mutierten iPSC-abgeleiteten Neuronen beeinträchtigt [68,82]. In all diesen Studien weisen von iPSC abgeleitete Neuronen Phänotypen auf, die eng mit denen übereinstimmen, die für menschliche Gehirnproben berichtet wurden. Die Ermittlung der Ursache von -Synuclein-Aggregaten, die häufig in PD-Gehirnen vorkommen, ist komplex und hat sich bisher als erfolglos erwiesen.

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Während die definitive Rolle der -Synuclein-Aggregation in der PD-Pathologie noch unklar ist, zeigt die Literatur eine hochkomplexe Wechselwirkung zwischen diesen aggregierten Spezies mit vielen anderen Proteinen innerhalb der Zelle, die eine Kaskade von Beeinträchtigungen des Zellwegs erzeugt, die eine fehlerhafte Proteinaggregation begünstigt und letztendlich dazu führt Degeneration. In dieser breiten und komplexen molekularen Landschaft können iPSC-abgeleitete Modelle von Parkinson-Patienten dabei helfen, die Auswirkungen der häufigsten Mutationen in dieser Pathologie zu identifizieren und die zellulären Prozesse des Parkinson-Gehirns mit großer Präzision nachzuahmen. Darüber hinaus kann dieses „Krankheit in einer Schüssel“-Modellierungssystem sowohl die Entdeckung von Arzneimitteln mit hohem Durchsatz als auch die Erforschung zellulärer Therapieansätze erleichtern. Zukünftige Arbeiten mit der CRISPR-Cas9-Technologie in Kombination mit iPSCs könnten den Ansatz bei Synukleinopathien revolutionieren, um die schädlichen Mutationen zu ersetzen oder die Multiplikationen aus den Schlüsselkrankheitsgenen zu löschen [83] oder tatsächlich die Modulation verwandter Mechanismen wie Histone, die an posttranslationalen Modifikationen beteiligt sind [ 84].

Die umfangreichen Arbeiten, die bisher über mehrere Modellsysteme hinweg durchgeführt wurden, deuten stark darauf hin, dass das Vorhandensein von -Synuclein-Aggregaten, -Oligomeren und -Fibrillen eine zentrale Rolle bei der Parkinson-bedingten DA-Neurodegeneration spielt. Mit einer sich verbessernden krankheitsrelevanten Plattformbasis unter Verwendung von iPSCs und dem raschen Wachstum unseres Verständnisses des Krankheitszustands sieht die Zukunft für Therapien, die auf Synukleinopathien abzielen können, rosig aus.

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