Proteome changes associated with developmental defects following perinatally acquired brain damage

Abstract

Injuries to the developing brain contribute considerably to the mortality and the long-term neurologic and neurocognitive morbidity of children. The immature brain reacts differently from the mature brain when exposed to potentially damaging environmental factors or insults. During the so-called brain growth spurt phase, a transient period when the brain is growing most rapidly, several insults may induce widespread apoptotic neurodegeneration in infant rodent brains. It is intruiging to decipher whether, depending upon their timing, lesions of the immature brain carry the potential of influencing developmental events in their natural sequence and redirecting subsequent development. The aim of the presented research work was to characterize mechanisms that can potentially influence normal development and/or participate in reorganization events following an insult to the developing brain. We have disclosed mechanisms implemented in brain damage and repair following exogenous insults during critical phases of brain development and following treatment with neuroprotective drugs such as erythropoietin. Insults such as hyperoxia/oxidative stress, traumatic brain injury, and an exposure to substances influencing NMDA and/or GABAA receptor neurotransmission (antiepileptic drugs, sedatives, drugs of abuse) have the potential of inducing an imbalance between neuroprotective and neurodestructive mechanisms that may subsequently cause apoptotic cell death and decrease neurogenesis. In animal models of these conditions, brain proteome changes were characterized at various developmental stages and time points following brain injuries using two-dimensional gel electrophoresis (2-DE) coupled to mass spectrometry (MS) and combined with other histological and biochemical methods. Age-specific acute and long-term changes in brain proteins associated not only with apoptosis and cell proliferation but also with synaptic function, neuronal migration, cell differentiation, and thus neuronal network formation suggest an interference of the exogenous insults with these developmental processes. Treatment with recombinant erythropoietin (rEpo) was found to be neuroprotective following hyperoxia in infant rodents and to lead to a restoration of proinflammatory cytokine and neurotrophin levels, reduction of oxidative stress, and restoration of proteome changes observed when only hyperoxia was applied. The protective effect of rEpo is generated through mechanisms such as a reduction of oxidative stress as well as restoration/reversal of hyperoxia-induced activation of caspases and depression of neurotrophin levels. We have further addressed whether alterations of the same isoprotein exist in different disease entities. Nodal point proteins may integrate different pathways into one pathway in diseases of the central nervous system, but can also diverge one pathway into several others. This observation offers an explanation for the clinical heterogeneity and phenotype overlap of distinct disorders. Moreover, changes in proteins at central network positions can induce unspecific dysregulations of disease- unrelated proteins. This protein-network concept provides a way to explain the difficulties that arise in an attempt to elucidate the fundamental mechanism underlying a specific developmental disorder.

Erworbene Schädigungen des sich entwickelnden Gehirns tragen beträchtlich zur Mortalität sowie neurologischen und neurokognitiven Morbidität von Kindern bei. Dabei unterscheidet sich die Reaktion des unreifen Gehirns auf exogene Noxen und Erkrankungen von derjenigen des reifen Gehirns. Exogene Faktoren können im unreifen Gehirn während der Phase des raschen Gehirnwachstums („growth spurt phase“), eine extensive apoptotische Neurodegeneration auslösen. Abhängig vom Zeitpunkt des Einwirkens, können Insulte Entwicklungsprozesse akut und chronisch beeinflussen. Das Verständnis der Pathomechanimen und damit die Identifizierung von Angriffspunkten für adjuvante neuroprotektive Therapien ist entscheidend für den Schutz des unreifen Gehirns. Das Ziel der vorgestellten experimentellen Arbeiten war die Charakterisierung von Proteinen und Stoffwechselwegen, welche die physiologische Gehirnentwicklung beeinflussen können und/oder an Reparaturprozessen erworbener Schäden des sich entwickelnden Gehirns beteiligt sind. Wir fanden Mechanismen, welche potentiell an der Schädigung des unreifen Gehirns und an nachfolgenden Reorganisationsprozessen sowie an der protektiven Wirkung von Substanzen wie Erythropoietin beteiligt sein können. Programmierter Zelltod oder Apoptose wird im sich entwickelnden Gehirn nicht nur physiologisch zur Reduktion überschüssig angelegter neuronaler Zellen beobachtet, sondern ist auch der vorwiegende Modus des Zelltodes durch eine Imbalance zwischen neuroprotektiven und -destruktiven Mechanismen nach Hyperoxie/oxidativem Stress, mechanischem Hirntrauma und Pharmaka, welche die physiologische Neurotransmission über NMDA- oder GABAA-Rezeptoren verändern. In entsprechenden Tiermodellen wurden Proteomveränderungen im unreifen murinen Gehirn zu unterschiedlichen Entwicklungsphasen und Zeitpunkten nach erfolgter Hirnschädigung charakterisiert. Hierzu kamen die Zweidimensionale Gelelektrophorese (2-DE) in Verbindung mit der Massenspektrometrie (MS) und weitere histologische und biochemische Methoden zum Einsatz. Altersabhängige akute und langfristige Veränderungen des Gehirnproteoms, welche mit Apoptose, Zellproliferation, synaptischer Funktion, neuronaler Migration, Zelldifferenzierung und somit Netzwerkbildung in Verbindung stehen, deuten auf eine Beeinflussung dieser Prozesse durch Insulte. Wir fanden zudem die neuroprotektive Wirkung rekombinanten Erythropoietins (rEpo) bei hyperoxie- induzierter Hirnschädigung. Dabei führt rEpo nicht nur zu einer deutlichen Reduktion hyperoxie-induzierter Neurodegeneration, sondern inhibiert auch die meisten Veränderungen des Gehirnproteoms, die nach Hyperoxie auftraten. Wir fanden Mechanismen, die der neuroprotektiven Wirkung zugrunde liegen könnten, wie eine Reduktion oxidativen Stresses, eine Normalisierung hyperoxie- induzierter vermehrter Caspaseaktivierung sowie eine Erniedrigung der Neurotrophinkonzentrationen im Gehirn. Beim Studium verschiedener Erkrankungen wurden oftmals Veränderungen bei denselben Proteinen beobachtet. Wir beschrieben diesbezüglich Knotenpunktproteine, die in Proteinnetzwerken auftreten und sowohl verschiedene Stoffwechselwege in einen zuammenführen als auch einen Stoffwechselweg in mehrere aufteilen können. Diese Beobachtung bietet eine Erklärung für die klinische Heterogenität und für die Überlappung von Phänotypen unterschiedlicher Krankheitsentitäten. Darüber hinaus können Veränderungen von Proteinen in zentralen Netzwerkpositionen unspezifische Veränderungen an Proteinen hervorrufen, die mit einer Erkrankung nicht ursächlich in Verbindung stehen. Dies kann die Schwierigkeiten bei der Identifizierung fundamentaler Mechanismen erklären, die bestimmten Krankheiten zugrunde liegen.