Regulation des Turnover des Tau-Proteins in Nervenzellen bei oxidativem Stress und Neuroinflammation

Abstract

Morbus Alzheimer ist eine degenerative Erkrankung des Gehirns, die neuropathologisch durch extra- und intrazelluläre Ablagerungen, massiven Neuronenverlust und synaptische Dysfunktion gekennzeichnet ist. Intrazellulär befinden sich neurofibrilläre Bündel,die sich aus dem Mikrotubulus- assoziierten Protein Tau zusammen setzen und das sich zu paarig helikalen Filamenten (PHFs) zusammen gelagert hat. Wie auch andere Proteine unterliegt das Tau-Protein ebenfalls posttranslationalen Modifikationen wie zum Beispiel Oxidation oder Hyperphosphorylierung. Über den Auf- und Abbau - den so genannten Turnover - des Tau-Proteins, seiner Modifikationen und den daran beteiligten Proteasen ist jedoch wenig bekannt. Intrazellulär werden im gesunden Gehirn oxidierte und fehlgefaltete Proteine selektiv durch das komplexe Ubiquitin-Proteasom-System abgebaut. Die Rolle dieser Protease in der Pathologie der Alzheimer-Erkrankung ist bisher nicht geklärt. Extrazellulär werden Ablagerungen durch aktivierte Fresszellen des Gehirns, die so genannten Mikrogliazellen, entfernt. Ob diese Zellen durch Interaktion mit Neuronen auch zur Pathologie des Tau-Proteins beitragen, ist nicht bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden im Rahmen der Alzheimer-Erkrankung folgende drei Aspekte untersucht: a) Interaktion von Tau-Protein und Proteasom in postmortem Alzheimer-Gehirngewebe. Es konnte nachgewiesen werden, dass die erniedrigte Proteasomaktivität in postmortem Gehirnproben durch Bindung von PHF-Tau verursacht wurde und somit gebundenes PHF-Tau als Grund für verminderte Proteasomfunktionalität in Alzheimer-Gehirnen identifiziert werden. b) Turnover des Tau-Proteins und diverser posttranslationaler Modifikationen in verschiedenen Zellmodellen unter Berücksichtigung des Proteasoms. Natives, oxidiertes sowie phosphoryliertes Tau-Protein wurden qualitativ und auch quantitativ auf seinen Turnover in verschiedenen Zellmodellen hin untersucht. Es zeigte sich, dass Modifikationen wie Hyperphosphorylierung und Oxidation den Tau-Turnover beeinflussten, allerdings in Abhängigkeit des verwendeten Zellmodells. c) Mögliche Auswirkungen der Interaktion von Mikrogliazellen und Neuronen auf die Tau-Pathologie. Die Ergebnisse deuteten auf eine regulierende und protektive Funktion aktivierter Mikrogliazellen hin. Eine Bestätigung einer möglichen Mikroglia-vermittelten Tau-Hyperphosphorylierung konnte durch die gezielte Hemmung des PARP-Enzyms beobachtet werden.

Alzheimer’s Disease is characterized neuropathologically by intra- and extracellular deposits, severe loss of neurons and synaptic dysfunction. Intracellularly there are neurofibrillary tangles which are composed of the microtuble-associated protein tau that aggregated into paired helical filaments (PHFs). Like any other protein also the tau protein undergoes posttranslational modifications like oxidation or hyperphosphorylation. Only little is known about the turnover of the tau protein, its modifications and the participating proteases. In the healthy brain oxidized and misfolded proteins are degraded intracellularly by the complex ubiquitin-proteasome- system. The role of this protease within in the Alzheimer pathology is yet not known. Extracellularly deposits are degraded by activated phagocytes of the brain, the microglial cells. It is yet not known if these cells contribute to the Alzheimer pathology by interaction with neurons. In this thesis the following three topics were examined: a) interaction of tau protein and proteasome in post morten brain tissue of Alzheimers patients. It was shown that the reduced proteasome activity was caused by binding of PHF-tau proteins which identified PHF-tau bound to proteasome as the cause for reduced proteasome activity in Alzheimer’s Disease. b) turnover of tau protein and various posttranslational modifications in different cell models focusing on the role of the proteasome. The turnover of native, oxidized and phosphorylated tau proteins were examined qualitatively and quantitatively. It was shown that modifications like oxidation or hyperphosphorylation influenced the tau turnover but dependently on the used cell model. c) possible effects of the interaction of microglial cells and neurons regarding the tau pathology. The results indicated a regulating and protective function of activated microglial cells. A conformation of microglial induced hyperphosphorylation of tau protein was achieved by inhibition of the PARP enzyme.