The role of microglia dysfunction in Huntington’s Disease

Abstract

Huntington’s disease (HD) is a chronic, autosomal-dominant neurodegenerative disease that is caused by a CAG trinucleotide repeat expansion in exon 1 of the huntingtin gene. Progressive striatal atrophy and cortical thinning are commonly observed in HD, resulting in movement, psychiatric and cognitive impairments. It is generally thought that the increase in CAG repeats in the huntingtin gene leads to a toxic gain of function that results in the accumulation of nuclear and cytoplasmic inclusions and progressive neurodegeneration. The exact mechanisms of how mutant huntingtin causes neurotoxicity, however, remain unclear. In the past years, both clinical and experimental evidence has emerged that points towards the involvement of the innate immune system in HD. In fact, an activated state of central nervous system (CNS) and peripheral myeloid cells precedes HD symptom onset in patients. Microglia - the resident parenchymal immune cells of the CNS - are phenotypically altered in both clinical and experimental settings of HD, but it is still not clear whether and how changes in microglia can contribute to HD pathogenesis. To address this open question, two mouse models of HD were employed in this study. Firstly, the R6/2 mouse, which expresses a pathogenic human mHTT fragment in all cells of the body, was used to assess any changes that microglia undergo on a transcriptional level as a response to mHTT ubiquitous expression. The same model was used to deplete microglia and measure whether this could rescue disease progression. To take a closer look at the cell-autonomous effects mHTT has on microglia, I generated a novel mouse model in which the mHTT pathogenic fragment is targeted specifically to microglia (MG-HD). A series of cytometric, transcriptomic, imaging and behavioural analyses revealed that mHTT-expressing microglia display an activated phenotype in vivo in both mouse models. However, any cell-autonomous effects of mHTT on microglia observed in MG-HD mice were mild and transient and not sufficient to drive an HD-like neuropathological phenotype. Furthermore, depletion of microglia in the R6/2 mouse did not rescue the HD-like symptoms. The results suggest that microglia are affected in HD but are not primarily responsible for neurodegeneration.

Die Huntington-Krankheit (HK) is eine chronische, autosomal-dominante neurodegenerative Erkrankung, die durch eine CAG Trinukleotidrepeatexpansion in Exon 1 des Huntingtin Gens verursacht wird. Bei HK Patienten werden oft progressive striatale Atrophie sowie kortikale Ausdünnung beobachtet, die zu Bewegungs-, psychiatrischen und kognitiven Störungen führen. Es wird vermutet, dass die Erhöhung der CAG Repeats im Huntingtin Gen zu einem toxischen Funktionszugewinn führt, der in der Folge für die Ansammlung von nukleären und zuytoplasmatischen Einschlusskörpern und für progressive Neurodegeneration verantwortlich ist. Die genauen Mechanismen, mit denen das mutierte Huntingtin Gen Neurotoxizität verursacht, sind jedoch bisher weitestgehend unbekannt. Klinische und experimentelle Beweise der letzten Jahre deuten auf eine Beteiligung des angeborenen Immunsystems in der HK hin. Es konnte gezeigt werden, dass dem Auftreten der Symptome in Patienten ein aktivierter Zustand von Zentralnervensystem (ZNS) und peripheren Myeloidzellen vorangeht. Mikroglia – die hirneigenen parenchymalen Immunzellen des ZNS – sind sowohl in klinischen, als auch in experimentellen Formen der HK phänotypisch verändert. Noch ist jedoch unklar, ob und in wiefern Veränderungen der Mikroglia zur Pathogenese der HK beitragen. Um diese Frage zu beantworten wurden in der vorliegenden Studie 2 Mausmodelle der HK eingesetzt. Zuerst wurde die R6/2 Maus, die in allen Körperzellen ein pathogenes menschliches mHTT-Fragment exprimiert, verwendet, um jegliche Veränderungen der Mikroglia auf transkriptionaler Ebene festzustellen, die als Folge der ubiquitären mHTT Expression auftreten. Das gleiche Modell wurde benutzt, um Mikroglia zu entziehen und um zu messen, ob der Entzug das Fortschreiten der Krankheit verhindern kann. Um die zellautonomen Effekte von mHTT auf Mikrolglia genauer zu untersuchen, habe ich ein neuartiges Mausmodell generiert, in dem das pathogene mHTT-Fragment spezifisch auf Mikroglia abgezielt ist (MG-HD). Eine Reihe von zytometrischen, transkriptomischen, bildgebenden und Verhaltensanalysen haben gezeigt, dass Mikroglia, die mHTT exprimieren, in beiden Mausmodellen einen aktivierten Phänotyp in vivo aufweisen. Jegliche zellautonome Effekte von mHTT auf Mikroglia, die in MG-HD Mäusen beobachtet wurden, waren jedoch mild und flüchtig, und nicht ausreichend, um einen HK-ähnlichen neuropathologischen Phänotyp hervorzurufen. Außerdem konnte der Entzug von Mikroglia in der R6/2 Maus die HK-ähnlichen Symptome nicht abschwächen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Mikroglia in der HK zwar beeinträchtigt sind, dass sie aber nicht primär für die Neurodegeneration verantwortlich sind.