Analyse der protektiven Reaktionen des Zytoskeletts während degenerativer Prozesse des Gehirns: erweiterte Charakterisierung Drebrin-defizienter Zellen

Abstract

Das Aktinfilament-bindende Protein Drebrin, welches bei Alzheimer Patienten vermindert vorliegt, ist ein wichtiger Stabilisator des Aktinnetzwerks in dendritischen Spines exzitatorischer Neurone (Harigaya et al. 1996; Hayashi et al. 1996). Obwohl ein Drebrin-Verlust allein keine Neurodegeneration auslöst (Willmes et al. 2017), wirkt die Drebrin-vermittelte Stabilisierung von Aktinfilamenten einer stressbedingten Neurodegeneration entgegen (Kreis et al. 2019). Eine nachlassende Reduktion von ROS könnte bei Alterungsprozessen in Neuronen eine wesentliche Rolle spielen (Mack et al. 2016). Es wurde daher untersucht, ob Drebrin-defiziente Neurone vulnerabler gegenüber altersinduzierten Stressfaktoren sind und ob Funktionseinschränkungen der ROS-Abwehr diese Vulnerabilität steigern. Dafür wurden Gehirnschnitte von adulten sowie dem Greisenalter entsprechenden DBN-KO Mäusen immunhistochemisch untersucht. Verglichen wurde dabei der Einfluss des Drebringens kombiniert mit einem partiellen KO der Gluatathion Peroxidase 4 (GPX4). In stark gealterten DBN-KO sowie in den DBN-KO/GPX4-Het Tieren zeigten sich gegenüber den Kontrolltieren keine Anzeichen für eine lokale Neurodegeneration in Hippocampus und Kortex, jedoch ein selektiver Verlust von NeuN in hippocampalen Pyramidalzellen. Weitere Untersuchungen zu möglichen subtilen Veränderungen aufgrund extremer Alterung konnten im Rahmen dieser Arbeit nicht mehr durchgeführt werden. Drebrin-defiziente Mäuse leiden zudem in Folge von Gehirnverletzungen unter einer fehlerhaften astrozytären Narbenbildung bedingt durch gestörten endosomalen Transport (Schiweck et al. 2021). Endosomaler Transport entscheidet vermutlich auch über die potentielle Neutralisation von Aβ-Peptiden, weshalb eine Rolle von Astrozyten in der Pathogenese von Morbus Alzheimer (AD) diskutiert wird (Prasad und Rao 2018). Um die Aufnahme von Aβ-Isoformen in Astrozyten zu analysieren, wurden astrozytäre Zellkulturen mit markierten Aβ-Monomeren/-Oligomeren behandelt und deren Aufnahme quantifiziert. Überdies wurden Untersuchungen zur Aβ-Aufnahme auf ein in-vitro-Wundheilungsmodell für Astrozytenkulturen ausgedehnt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Astrozyten in Primärkultur ein heterogenes Aufnahmeverhalten beider Aβ-Isoformen zeigen. Allerdings konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass eine Subpopulation von Astrozyten (sog. „Vielfresser“) die Aβ-Monomere/-Oligomere in endosomale Vesikel aufnahmen und sich Nukleus-nahe Akkumulationen des Amyloids bildeten. Die Aufnahme der oligomeren Isoform wurde zudem durch den AD-Risikofaktor ApoE gesteigert. Diese Ergebnisse können dazu beitragen, die beobachteten Subpopulationen von Astrozyten anhand ihrer Aufnahme von Aβ-Isoformen gezielt zu charakterisieren. Zeitrafferstudien sowie eine genaue Analyse der Akkumulation innerhalb der Vielfresser könnten erste Hinweise auf mechanistische Zusammenhänge zwischen dem intrazellulären Schicksal des Aβ und seinem Schädigungspotential in Astrozyten aufdecken.

The actin-side-binding protein Drebrin, of which lower levels were seen in AD patients, has been identified as an important stabilizer of the actin network in dendritic spines of excitatory neurons (Harigaya et al. 1996; Hayashi et al. 1996). Although a Drebrin loss on its own does not cause neurodegeneration in a mouse model (Willmes et al. 2017), Drebrin-mediated stabilization of actin filaments protects against insult-driven neurodegeneration (Kreis et al. 2019). Decreased reduction of ROS potentially causing a variety of cellular malfunctions could be one underlaying mechanism of age-induced stress in neurons (Mack et al. 2016). It was therefore analysed, whether Drebrin-deficient neurons are more vulnerable to age-dependent stressors and if impaired ROS-protection may increase this vulnerability. Therefore, brain sections ranging from adult to very old age were immunhistochemically evaluated with emphasis on the impact of Drebrin genotype in combination with a partial knock-down of the glutathione peroxidase 4 (GPX4). Whilst neither senile DBN-KO nore DBN-KO/GPX4-Het animals showed evidence of manifest neurodegeneration in the hippocampus or cortex, some pyramidal neurons of the hippocampus lost their common marker NeuN. Additional studies into more subtle transformations due to very old age in both mouse models were precluded by time constrains. Furthermore, Drebrin-deficient suffer from deficient astrocytic scar formation after brain injury due to failed endosomal transport (Schiweck et al. 2021). Endosomal transport may also plays a crucial role during neutralization of amyloidgenic Aβ-peptides, placing astrocytes in the centre stage of Alzheimer’s Disease (AD) pathogenesis (Prasad and Rao 2018). To directly analyse the intracellular uptake of Aβ-isoforms astrocytic cultures were treated with fluorescently labelled Aβ-monomers/oligomers and vesicular uptake per cell was quantified. In addition, an in vitro-scar formation assay was employed to activate endosomal turnover. In conclusion, astrocytes in culture show a remarkable range of Aβ-isoform uptake behaviour preventing significant differences between analysed parameters. However, a small subpopulation of astrocytes (termed “binge eaters”) took up Aβ-monomers as well as presumably toxic Aβ-oligomers in an extraordinary high amount of endosomal vesicles and at the same time displayed peri-nuclear accumulations of amyloid. Moreover, uptake in particular pf oligomeric Aβ was increased by ApoE, a well known risk factor for AD. Expanding these preliminary results, different subpopulations of astrocytes may be characterized on the basis of their labelled amyloid uptake. Hence, time lapse studies as well as more detailed analysis of endosomal Aβ accumulation in binge eaters may lead to first insights into mechanistic aspects of the intracellular fate of Aβ and its toxic potential in astrocytes.