Modulatory effects of Cav1.3 calcium channels on dopamine homeostasis and alpha synuclein expression in a mouse model of Parkinson’s disease

Abstract

In Parkinson’s disease (PD), mitochondrial dysfunction has been suggested to be an important pathogenetic factor whereby calcium and α-synuclein (aSYN) pathology facilitate the selective death of substantia nigra neurons. The present study aimed at investigating the modulatory effects of the voltage-gated calcium channels of subtype 1.3 (Cav1.3) on dopamine (DA) homeostasis and aSYN expression in Cav1.3 channel knockout mice under mitochondrial dysfunction induced by the neurotoxin 1-methyl-4- phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP). Following chronic MPTP treatment, tissue samples from the striatum and the midbrain were used for HPLC-based analysis of striatal DA and its metabolites, for the assessment of nigral mRNA levels of tyrosine hydroxylase (TH), dopamine transporter (DAT), and aSYN, as well as for Western blot detection of TH, DAT and aSYN protein in the striatum and the midbrain. Cav1.3 channel knockout mice displayed a decreased vulnerability to chronic MPTP exposure as measured by a rescue of striatal DA of ~50% and an unaffected DA turnover. This neuroprotective effect was paralleled by a preserved mRNA expression of nigral TH and DAT. However, such an effect could not be observed for the protein expression of striatal DAT nor for striatal and nigral aSYN protein when compared to MPTP-treated wild-type mice. Our data underline the pivotal role of Cav1.3 channels in the propagation of MPTP-induced breakdown of the nigro-striatal DA system. However, we could not confirm in-vivo evidence that aSYN expression is linked to calcium overload under the condition of mitochondrial dysfunction. For the first time we could demonstrate that genetic “silencing” of Cav1.3 channels in mice mitigates the toxic actions of chronic MPTP exposure, which so far has only been shown pharmacologically using non-selective calcium-channel blockers.

Bei der Pathophysiologie des Idiopathischen Parkinson-Syndroms stellt die mitochondriale Dysfunktion einen wichtigen pathogenetischen Faktor dar, bei dem Calcium und Alpha-Synuclein den selektiven Untergang von Neuronen der Substantia nigra fördern. Die vorliegende Studie zielte darauf ab, die modulatorische Rolle von spannungsgesteuerten Calciumkanälen vom Subtyp Cav1.3 auf die Dopaminhomöostase und die Alpha-Synuclein Expression in Cav1.3-knockout Mäusen unter der Bedingung einer mitochondrialen Dysfunktion, die durch das Neurotoxin 1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin (MPTP) induziert wurde, zu untersuchen. Dazu wurden im Anschluss an eine chronische MPTP-Behandlung Gewebeproben von Striatum und Mittelhirn sowohl für die HPLC-basierte Analyse des striatalen Gehaltes von Dopamin und seinen Metaboliten, als auch für die Bestimmung der nigralen mRNA Level von Tyrosinhydroxylase (TH), Dopamintransporter (DAT) und Alpha-Synuclein (A-Syn) sowie für die Westernblot Detektion von TH-, DAT- und A-SYN-Protein im Striatum und im Mittelhirn untersucht. Im Ergebnis zeigte sich bei den Cav1.3-knockout Mäusen eine geringere Vulnerabilität auf die chronische MPTP-Exposition gemessen an einer Erhaltung des striatalen Dopamingehaltes von 50% und einem unveränderten Dopaminumsatz. Dieser neuroprotektive Effekt war begleitet von einer intakten mRNA-Expression von TH und DAT in der Substantia nigra. Allerdings konnte im Vergleich zu MPTP-behandelten Wildtyp-Mäusen ein derartiger Effekt weder für die Protein Expression des striatalen DAT, noch für das striatale und nigrale A-Syn-Protein beobachtet werden. Unsere Daten unterstreichen die zentrale Rolle von Cav1.3-Kanälen bei der Propagation der MPTP induzierten Schädigung des nigro-striatalen Dopamin-Systems. Dennoch fanden wir keine in-vivo Evidenz für eine an die Calcium-Überladung gekoppelte A-Syn-Expression unter mitochondrialer Dysfunktion. Zum ersten Mal konnten wir demonstrieren, dass eine genetische Suppression von Cav1.3-Kanälen in Mäusen die toxischen Effekte einer chronischen MPTP-Exposition abmildern kann, was bisher nur pharmakologisch, d.h. unter Verwendung nicht-selektiver Calciumkanalblocker gezeigt wurde.