Ubikitiini-proteosomijärjestelmän merkityksestä neurodegeneraatiotaudeissa

 http://hdl.handle.net/2077/54533

Simon Sjödin. Evaluation of the Endo-Lysosomal System and the Ubiquitin-Proteasome System in Neurodegenerative Diseases

Väitös tulossa: Abstraktin sisältöä suomeksi muistiin

Neurodegeneraatio on neuronisolujen katoamisprosessia, jossa oireisto heijastaa sitä aivoaluetta, jossa tauti piilee. Neurodegeneratiivisiin häiriöihin luetaan Alzheimerin tauti (AD), Parkinsonin tauti (PD) ja frontotemporaalinen dementia ( FTD) ja niissä kaikissa on tyypillistä proteiinikertymät, mikä viittaa  joko vialliseen tuotantoon tai näiden proteiinien aineenvaihunnalliseen vaihtumishäiriöön. Täten neurodegeneraatiossa esiintyy viallisesti toimivaa proteiinitasapainoa, proteostaassivikaa. Neurodegeneration is the process of neuronal cell loss where the symptoms will reflect the regions affected. Neurodegenerative disorders including Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD) and frontotemporal dementia (FTD) are all characterised by an accumulation of protein aggregates suggesting impaired production or turnover of these proteins. Hence, dysfunctional proteostasis is implicated in neurodegenerative disorders. AD-taudissa on endosyyttisten rakkuloiden ja autofagiarakkuloiden vähentynyttä vaihtumista ja endolysosomaalisten proteiinien ja ubikitiinin kertymää aivossa.  PD- taudissa on viitettä lysosomaaalisesta vikatoiminnasta:  tautiriski ja geneettinen muuntuminen liittyvät lysosomaalisiin kertymätauteihin ja taudin vikuuttamissa alueissa on lysosomaalisten proteiinien ilmenemä alentunut.  FTD-taudissa tautia aiheuttavat mutaatiot ja geneettiset riskitekijät viittaavat autofagisen ja endolysosomaalisen järjestelmän funktioiden osallistuvan patogeneesiin. In AD, there is a decreased turnover of endocytic and autophagic vesicles and an accumulation of endo-lysosomal proteins and ubiquitin in brain tissue.  Lysosomal dysfunction has been indicated in PD by the link of disease risk and genetic alterations associated with lysosomal storage disorders as well as by decreased expression of lysosomal proteins in disease afflicted regions.  Disease causing mutations and genetic risk factors in FTD suggest altered function of the autophagic and endo-lysosomal system to be involved in the pathogenesis. Tämän väitöstyön tarkoituksena on tutkia viallista proteostaassia neurodegeneratiivisissa taudeissa kehittämällä menetelmiäa jolla voidaan monitoroida autofagisen ja endolysosomaalisen systeemin ja ubikitiini-proteosomisysteemin proteiineja ihmisen aivoselkäydinnesteestä. (CSF). Endolysosomaalisen ja ubikitiini-proteosomaalisen järjestelmän proteiineja identifioitiin ja määritettiin kvantitatiivisesti likvorista käyttämällä massaspektrometriaan perustuvia proteomixejä . Kehitettiin kolme järjestelmää: Ensiksi (1) lysosomaalinen kalvoproteiini LAMP2 puhdistettiin likvorista immuunosaostuksella ja pilkottiin trypsiinillä ja määritettiin kvantitatiivisesti nestekromatografialla (LC) ja PRM- massaspektrometrialla (MS); (2) koko pitkä ubikitiini uutettiin ( sis. 9 kpl ubikitiinijaksoa) likvorista ja määritettiin kvantitatiivisesti (LC PRM-MS) ja (3) lopuksi analysoitiin endolysosomaalisten proteiinien paneli ( esim. LAMP2, ubikitiini) käyttämällä trypsiinillä sulattamista, peptidien eristämistä uuttamalla ja kvantitatiivsta mittausta (LC PRM-MS) . Sitten analysoitiin kehitetyillä menetelmillä livornäytteet, joita saatiin AD, PD ja FTD potilaista ( kliinisistä alatyypeistä ja FTD mutaation kantajista) ja kontrolleista. The aim of this thesis was to examine dysfunctional proteostasis in neurodegenerative diseases by developing assays to monitor proteins from the autophagic and endo-lysosomal system and the ubiquitin-proteasome system in human cerebrospinal fluid (CSF). Proteins from the endo-lysosomal system and the ubiquitin-proteasome system have been identified and quantified in CSF using mass spectrometry (MS)-based proteomics. Principally, three methods have been developed; 1) lysosomal membrane protein LAMP2 was purified from CSF by immunoprecipitation followed by tryptic digestion and quantification by liquid chromatography (LC) and parallel reaction monitoring MS (PRM-MS); 2) full length ubiquitin was isolated from CSF by solid-phase extraction (SPE) followed by quantification by LC PRM-MS; and 3) finally, a panel of endo-lysosomal proteins, e.g., LAMP2, and ubiquitin, were analysed using tryptic digestion, peptide isolation by SPE and quantification by LC PRM-MS. CSF samples from cohorts including subjects with AD, PD, clinical FTD subtypes and FTD mutation carriers, as well as controls, were analysed with the developed assays. AD- taudissa oli useiden endolysosomaalisten proteiinien (esim. LAMP2) pitoisuudet kohonneita kontrolleihin verrattuna. Myös likvorin ubikitiini oli AD_taudissa kohonnut kontrolleihin verrattuna. PD- taudissa päinvastoin endolysosomaaliset proteiinit ja ubikitiini olivat alentuneet. In AD the CSF levels of several endo-lysosomal proteins, including LAMP2, were elevated compared to controls. CSF ubiquitin was also found to be elevated in AD compared to controls.  In contrast, CSF levels of endo-lysosomal proteins and ubiquitin in PD were found to be decreased. Tutkittaessa FTD- taudin kliinIsten alatyyppien ja FTD-mutaation kantajien näytteitä, havaittiin likvorin endolysosomaalisissa proteiineissa vain rajoittuneita muutoksia, mikä viittaisi siihen että dysfunktionaalinen proteostaassi ei ole suoraan havaittavissa likvorista FTD-taudissa. Investigation in clinical subtypes of FTD and mutation carriers showed limited alterations in the CSF levels of endo-lysosomal proteins, suggesting dysfunctional proteostasis not to be readily detected in CSF in FTD. Saadut tulokset osoittavat muuntuneita proteiinien likvorpitoisuuksia AD- ja PD- taudin proteosaassissa ja se viittaisi patologisiin muuntumisiin autofagisessa ja endolysosomaalisessa systeemissä sekä ubikitiini-proteosomisysteemissä.  Vaikka lisätutkimuksia tarvitaankin, saattaisi likvorin ubikitiini AD:ssa ja endolysosomaaliset proteiinit ja ubikitiini PD:ssä toimia mahdollisina biologisina merkitsijöisä näissä häriöissä. Our results showing altered CSF levels of proteins involved in proteostasis in AD and PD might indicate pathological alterations in the autophagic and endo-lysosomal system and the ubiquitin-proteasome system. Although further studies are needed, CSF ubiquitin in AD and endo-lysosomal proteins and ubiquitin in PD might serve as potential biomarkers in these disorders.

Väitöstilaisuus on edessäpäin ja vastaväittelijä on Suomesta