Huntington's disease [Elektronische Ressource] : transcriptional dysregulation and computational models for cell death caused by protein aggregation / von Branka Bernard

Branka Bernard

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• Publié le: 01 janvier 2008
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Extrait

Huntington’s Disease
Transcriptional Dysregulation and Computational Models for Cell Death
Caused by Protein Aggregation
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(dr. rer. nat.)
im Fach Biologie
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Frau Dipl.-Biol. Branka Bernard
geboren am 30.04.1974 in Zagreb, Kroatien
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Dr. h.c. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Christian Limberg
Gutachter:
1. Prof. Hanspeter Herzel
2. Prof. Thomas Hoefer
3. Prof. Marijana Krsnik-Rasol
eingereicht am: 27. Februar 2008
Tag der mündlichen Prüfung: 30. Juni 2008Abstract
Huntington’s disease (HD) is a fatal neurodegenerative disorder characterized by a pro-
gressive decline in cognitive, motor, and psychiatric functions. These symptoms are
associated with the extensive neuronal loss in the striatum of HD patients. HD is caused
by a CAG repeat expansion which translates into a polyglutamine (polyQ) stretch at
the N-terminus of the huntingtin protein (htt). The polyQ stretch induces misfolding,
cleavage and aggregation of htt. Insoluble protein aggregates are a hallmark of a num-
ber of neurodegenerative disease, which raised hope that understanding the process of
aggregation and its potential as a therapeutic target in one of the diseases may have
implications for the others.
It has been postulated that the sequestration of transcription-related proteins into
the htt aggregates causes transcriptional changes observed in HD models. To test that
hypothesis, I compiled lists of genes controlled by the transcription factors associated
with HD. These genes were spotted on cDNA microarrays that were later hybridized
with RNA extracted from cell lines expressing a mutant htt fragment. Upon induction
of expression, htt fragments formed aggregates and the cells showed reduced viability.
Transcriptional changes after the induction of htt fragment expression were monitored
and their time series analysed. In this study, no systematic changes within the groups
of genes regulated with the specific transcription factors were observed, which indicates
that targeting a specific transcription factor might not be a feasible therapeutic strategy
for treating HD.
It is well established that the formation and the accumulation of htt aggregates causes
neurotoxicity in different HD model systems. However, there is an intense debate as
to which protein structure, i.e. monomers, oligomers or aggregates of htt fragment, is
responsible for neuronal dysfunction and loss. Understanding the dynamical properties
of the htt aggregation process can help understanding the consequences of therapeutic
strategies targeting aggregation. For this purpose, I derived several mathematical models
describing htt aggregation and cell death. A core deterministic model of htt aggregation
allowed monitoring changes in the concentration of different htt conformers in the course
of the disease. Based on this core model, a stochastic model of htt aggregation was
constructed and the assumption that the toxicity is proportional to the concentration of
each htt conformer was included. The results showed that transient dynamics observed
in the system and the non-monotonic response of cell survival to a change of parameter
might lead to the non-intuitive outcome of a treatment that targets htt aggregation.
Moreover, the numerical simulations of the stochastic model show that if aggregates are
the toxic species, the onset of aggregation, marked by the overshoot in the concentration
of aggregates, is the event most likely to kill the cell. Therefore. if the cell survives the
onset of aggregation, it might have a higher life expectancy than a cell without aggregates
despite the presence of toxic aggregates. This phenomenon was termed a one-shot model.
The one-shot model could explain how aggregates could be toxic and neuroprotective at
the same time.
HD is a late onset disorder whose symptoms usually appear between 30 to 50 years
of age. It is possible to measure the functional decline of the affected brain regions inHD patients, but what dictates the dynamics of that decline is not known. To address
the open question of the late-onset of HD, I built an enlarged deterministic model of htt
aggregation. The model showed that a nucleation process and a positive feedback loop
acting on the htt fragment release describe well the late onset of aggregation through an
intrinsic mechanism.
The principal cause of the variability of the age at onset (AO) is the length of the
CAG repeat. Still, there is a great variance in the AO even for the same CAG repeat
length. This notion prompted a search for additional genetic factors that could modify
the AO of HD. At the same time, neuronal decline in a group of neurodegenerative
diseases including HD fits well a one-hit model, in which a rare random event triggers cell
death. To study the variability of the AO, I developed a stochastic model for neuronal
death in the HD striatum based the one-hit model. In this model, it is assumed that
neurons do not die independently, but in clusters due to cross-talk between the cells,
excitotoxicity or inflammation. The model was used to explore the variability introduced
in the development of the disease by the random times of cluster deaths. The stochastic
model of neuronal death showed that a significant part of the unexplained variance can
be attributed to the intrinsic stochastic dynamics of neurodegeneration.
Keywords: Huntington’s disease, protein aggregation, transcriptional dysregulation, ma-
thematical model
iiiZusammenfassung
Die Huntington’sche Krankheit (Huntington’s disease, HD) ist eine tödliche neurode-
generative Erkrankung, die durch den progressiven Verlust kognitiver, motorischer und
psychiatrischer Funktionen gekennzeichnet ist. Diese Symptome gehen bei HD-Patienten
mit einem extensiven Verlust von Neuronen im Striatum einher. Die Ursache für HD ist
eine genetische Mutation, bei der eine CAG-Wiederholungssequenz verlängert wird. Im
resultierenden Protein, das Huntingtin (htt) genannt wurde, wird diese CAG-Sequenz
in eine Polyglutamin (PolyQ)-Sequenz im N-Terminus translatiert. Die PolyQ-Sequenz
führt zur Missfaltung von htt, woraufhin es gespalten wird. Die entstehenden Fragmente
von htt bilden unlösliche Aggregate. Die Entstehung von unlöslichen Proteinaggregaten
ist ein gemeinsames Merkmal von etlichen neurodegenerativen Erkrankungen, was Anlass
zur Hoffnung gab, dass Erkenntnisse über den Aggregationsprozess und sein Potential als
therapeutischen Ansatzpunkt bei einer der Krankheiten auch Anwendungsmöglichkeiten
für die anderen Krankheiten eröffnen würden.
In Modellen für HD wurden Veränderungen der Transkription beobachtet, und es
wurde postuliert, dass diese durch die Rekrutierung von transkriptions-assoziierten Pro-
teinen in htt-Aggregate verursacht werden könnten. Um diese Hypothese zu testen, habe
ich untersucht ob die Bildung von htt-Aggregaten die Transkription von Genen, von de-
nen bekannt ist, dass sie von HD-assoziierten Transkriptionsfaktoren kontrolliert werden,
verändert. In den für diese Versuche verwendeten Zelllinien führte die Induktion der Ex-
pression eines mutierten htt-Fragments zur Bildung von htt-Aggregaten, und die Zellen
wiesen eine verminderte Vitalität auf. Zur Untersuchung der Transkription wurden die
zu untersuchenden Gene auf cDNA-Mikroarrays aufgebracht und mit RNA, welche aus
den Zellen zu unterschiedlichen Zeiten nach der Induktion der Expression des mutierten
htt-Fragments gewonnen wurde, hybridisiert. So konnte auch die Zeitabhängigkeit der
Transkription gemessen werden. Es wurden keine systematischen Veränderungen inner-
halb der durch spezifische Transkriptionsfaktoren regulierten Gengruppen gefunden, was
darauf hindeutet, dass die Fokussierung auf einen spezifischen Transkriptionsfaktor eher
nicht als sinnvolle therapeutische Strategie für die Behandlung von HD angesehen werden
kann.
Es ist bekannt, dass die Ausbildung und Ansammlung von htt-Aggregaten in ver-
schiedenen HD-Modellsystemen zum Absterben von Nervenzellen im Striatum führt. Es
herrscht jedoch rege Diskussion darüber, welche Proteinstruktur, d.h. Monomere, Oli-
gomere oder Aggregate des htt-Fragments, die neuronalen Dysfunktionen und letztend-
lich den Zelltod verursacht. Ein besseres Verständnis der Dynamik des htt-Aggregations-
prozesses könnte zur Abschätzung der Auswirkungen von therapeutischen Strategien, die
die Proteinaggregation beeinflussen, beitragen. Zu diesem Zweck habe ich mehrere ma-
thematische Modelle erstellt, welche die htt-Aggregation und den Zelltod beschreiben.
In einem deterministischen Kernmodell der h konnten Veränderungen der
Konzentrationen verschiedener htt-Konformere im Krankheitsverlauf beobachtet werden.
Aufbauend auf dem Kernmodell wurde als nächstes ein stochastisches Modell der htt-
Aggregation erstellt, bei dem angenommen wurde, dass die Toxizität proportional zurKonzentration eines jeden htt-Konformers ist. Die Ergebnisse zeigten, dass eine transien-
te Dynamik im System und die nicht-