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Neue Modellsysteme zum Verständnis neurodegenerativer Erkrankungen
Jochen HolzschuhUniversität Freiburg
Biologie I
Neue Modellsysteme zum Verständnis neurodegenerativer Erkrankungen Einleitung
Vom Gen zum Protein Das Gehirn Modellsysteme Transgene Tiere
Neurodegenerative Erkrankungen Morbus Parkinson
Morbus Parkinson Modelle zu Morbus Parkinson
Morbus Alzheimer Morbus Alzheimer Modelle zu Morbus Alzheimer
EinleitungVom Gen zum Protein Gene steuern das Zellverhalten, indem sie die Proteine kontrollieren, die eine Zelle produziert.
Promotoren fungieren als “Genschalter” Enhancer als “Verstärker” Transkriptionsfaktoren, die sich an die Promotor-Enhancerregionen heften, verstärken oder inhibieren die Transkription
Das Gehirn
Trepel 2004
Modellorganismus FadenwurmCaenorhabditis elegans
0,5mm
10µm
10µm
Larvenstadien
Wolpert 1999
Modellorganismus Fruchtfliege Drosophila melanogaster
0,1mm
Wolpert 1999
Modellorganismus ZebrafischDanio rerio
0,5mm
0,5mm
1cm
Wolpert 1999
Modellorganismus MausMus musculus
10µm
0,1mm
1mm
Wolpert 1999
Transgene Tiere Überexpression (Transgene)
Einbringen eines zusätzlichen Gens. Dies führt zu einem Funktionsgewinn. Durch die Wahl des Promotors wird der Ort und die Menge der Expression bestimmt.
Knock-out Entfernung eines Gens. Dies führt zu einem
Funktionsverlust. Knock-in
Veränderung des natürlichen Gens, z.B. Einführung einer Punktmutation, oder Austausch eines endogenen Gens durch ein Fremdgen. Dies führt zu der Expression eines mutierten bzw. Fremdgens in normaler Menge
Herstellung transgener Tiere Konventionelle Veränderung
Einbringen von Fremd-DNA an unbestimmterStelle in irgendein Chromosom.
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Lodish et al. 2000
Herstellung transgener Tiere Konventionelle Veränderung Gezielte Veränderung (Gene Targeting)
Veränderung eines Zielgens durch• Einführung eines zusätzlichen DNA Fragments.• Einführung einer Deletion.• Gezielte Veränderung einzelner Nukleotide
Herstellung transgener Tiere Konventionelle Veränderung Gezielte Veränderung (Gene Targeting) Konditionelle Veränderung
Gerichtete genetische Abwandlung, die nur ein spezifisches Gewebe oder einen Zeitabschnitt in der Entwicklung eines Organismus oder beides betrifft.
Neurodegenerative Erkrankungen
“ Clearly, neurons are always riding on the edge; with their high metabolic requirements and meager provisions, they are extremely vulnerable cells. …
…Happy neurons are all alike: every unhappy neuron dies in its own way ”
Hutchings and BarkerWhy Neurons Die: Cell death in the nervous system (1998)
Neurodegenerative Erkrankungen Definition Familiäre oder sporadische
Erkrankungen, die neuropathologisch durch fortschreitenden Untergang bestimmter Populationen von Nervenzellen und Ersatz durch Gliagewebe gekennzeichnet sind.
Neurodegenerative Erkrankungen Klinische Klassifikation Demenzerkrankungen (z.B. Alzheimer)
Verlust erworbener intellektueller Fähigkeiten• Gedächtnis• und mindestens eines der folgenden Merkmale
• Störung des abstrakten Denkens• Vermindertes Urteilsvermögen• Störung anderer kortikaler Funktionen• Persönlichkeitsveränderungen
Neurodegenerative Erkrankungen Klinische Klassifikation Demenzerkrankungen (z.B. Alzheimer)
Zentrale Bewegungsstörungen(Basalganglienerkrankungen z.B. Parkinson) Die Kontrolle der Willkürmotorik, also von
Bewegungen, die bewusst ausgeführt werden, ist in Folge von degenerativen Erscheinungen der Basalganglien gestört.
Neurodegenerative Erkrankungen Klinische Klassifikation Demenzerkrankungen (z.B. Alzheimer)
Zentrale Bewegungsstörrungen (Basalganglienerkrankungen z.B. Parkinson)
Ataxien (z.B. Spinocerebellar Ataxie) Verlust oder Störung der Bewegungsabläufe
und der Haltungsinnervation mit Auftreten unzweckmässiger Bewegungen in Folge gestörter Muskelkoordination.
Neurodegenerative Erkrankungen Klinische Klassifikation Demenzerkrankungen (z.B. Alzheimer)
Zentrale Bewegungsstörrungen (Basalganglienerkrankungen z.B. Parkinson)
Ataxien (z.B. Spinocerebellar Ataxie)
Erkrankungen des motorischen Systems(z.B. ALS Amyotrophe Lateralsklerose ALS) Motorische Störungen ausgehend von einem
neuronalen Verlust im pyramidalen System.
Molekulare Klassifikation neurodegenerativer Erkrankungen Amyloid-Erkrankungen (Alzheimer)
Einlagerung von bestimmtem Proteinen (Amyloid oder Paraamyloid) in die Grundsubstanz des Bindegewebes
Molekulare Klassifikation neurodegenerativer Erkrankungen Amyloid-Erkrankungen (z.B. Alzheimer) Tauopathien (z.B. Alzheimer)
Eine Gruppe von degenerativen Erkrankungen des Zentralnervensystems, die auf eine abnorme Phosphorylierung und Aggregation des Mikrotubuli-assoziierten Proteins Tau zurückzuführen sind
Molekulare Klassifikation neurodegenerativer Erkrankungen Amyloid-Erkrankungen (z.B. Alzheimer) Tauopathien (z.B. Alzheimer) Synukleopathien (z.B. Parkinson)
Neurodegenerative Erkrankungen, bei denen es zur Bildung von Lewy Körperchen kommt. Die Lewy-Körperchen bestehen überwiegend aus Synuklein, einem natürlichen, aber in seiner Struktur krankhaft veränderten Protein.
Molekulare Klassifikation neurodegenerativer Erkrankungen Amyloid-Erkrankungen (z.B. Alzheimer) Tauopathien (z.B. Alzheimer) Synukleopathien (z.B. Alzheimer) CAG Repeat Erkrankungen (z.B. Huntington)
Mutationen, die durch CAG-Repeat-Verlängerungen (Wiederholungen des Codons Cytosin-Adenin-Guanin) charakterisiert sind und zu langen Polyglutaminen führen.
Morbus Parkinson
Erstmals 1817 von Parkinson in seinem “An Essay on the Shaking Palsy” beschrieben. Familiärer idopatischer Parkinson (<40
Jahre, 5-10% der Partienten)• Autosomal-dominant• Autosomal-recessive juvenil
Sporadischer idiopatischer Parkinson (>50 Jahre)
Morbus ParkinsonKlinisches Erscheinungbild Gang- und Gleichgewichtsstörungen Zittern Muskelsteifigkeit
Morbus ParkinsonPathologie Primär degenerativ. Verlust von Neuronen
Hauptsächlich dopaminerger Neurone der Substantia nigra pars compacta
Morbus ParkinsonPathologie Basalganglienerkrankung
Sekundäre Überfunktion des Striatums (Enthemmung)
Morbus ParkinsonKrankheits Faktoren Genetische Faktoren
-Synuclein (Park1) Parkin (Park2) Sepiapterinreductase (Park3) Ubiquitin C-terminale Hydrolase (Park5) TAU
Umwelt Faktoren Unreine Drogen (MPTP in Heroin) Virale Infektion (Influenca A) Trauma (Boxer) Pestizide und Herbizide Mangan Endogene Neurotoxine
Morbus Parkinson-Synuclein Mutationen des -Synuclein führen zu
oxidativen Stress
Morbus ParkinsonTiermodelle Synuclein Transgene Tiere:
C. elegans Drosophila melanogaster Mäuse
Neurotoxin Modelle: MPTP/MPP+ und 6-OHDA C. elegans, Drosophila melanogaster Fische Mäuse Ratten Primaten
Morbus Parkinson in C. elegans
Nass et al. (2002)
Expression von grün fluoreszierenden Protein GFP unter der Kontrolle des DAT Promotors
Wolpert 1999
Das 6-OHDA Toxintötet DA Neurone undführt so zu einer starken Störung der Beweglichkeit in Fadenwürmern
Morbus Parkinson in C. elegans
Nass et al. (2002)
Morbus Parkinson in C. elegans Expression vonMutanten humanen-Synuclein unter der Kontrolle des DAT Promotors führt zu einem Verlust vonDA Neuronen
Lasko et al. 2003
Morbus Parkinson in Drosophila DA Neurone in Drosophila
Frigge-Grelin et al. 2002Hartenstein 1993
Morbus Parkinson in Drosophila Die Expression von mutanten humanen Synuclein führt zu einem MP Phenotypen
human human
transgenic
transgenic
transgenic transgenic
Feany & Bender 2000
Anti -SynucleinAnti -Synuclein
Morbus Parkinson in Drosophila Die Expression von mutantem humanen Synuclein führt zu Störungen in der
Motorik
Feany & Bender 2000
Morbus Parkinson in Drosophila Der Verlust von DA Neuronen kann pharmakologisch aufgehoben werden(Geldanamycin)
Auluck & Bonini 2002
Morbus Parkinson-Synuclein Knockout Mäuse
Abellovich et al. 2000
Das Entfernen des -Synuclein Gens
in Mäusen (knockout) führt zu keiner Veränderung in der Entwicklung der DA Neurone.
Morbus Parkinson in transgenen Mäusen Mutantes humanes -Synuclein in Mäusen
Mauslinie 1Synuclein in allen Neuronen
Mauslinie 2Synuclein in DA Neuronen
Mauslinie 3Synuclein in Glia Zellen
Stichel und Lüber 2003
Morbus ParkinsonDie Suche nach neuen Faktoren DA Neurone im Zebrafisch
Nach Holzschuh et al. 2001
Morbus ParkinsonDie Suche nach neuen Faktoren Mutagenese von Zebrafischen zur
Identifizierung neuer Faktoren der DA Neuronen Entwicklung
Morbus Alzheimer
Erstmals von Alois Alzheimer 1906 als eine "eigenartige Krankheit der Hirnrinde" beschrieben
Die Alzheimersche Krankheit ist eine fortschreitende, degenerative Erkrankung.
Alzheimer ist die häufigste Form der Demenz
Morbus AlzheimerKlinisches Erscheinungsbild Verlust der intellektuellen Funktionen wie
Denken, Erinnern und Verknüpfen von Denkinhalten
Morbus AlzheimerPathologie Primar degenerativ. Verlust von Neuronen
Hauptsächlich Neurone des Vorderhirns und der Großhirnrinde (cholinerge Neurone)
© A Med-World AG
Morbus AlzheimerPathologie Bildung von Fibrillenveränderungen und
pathologischen Ablagerungen in der Hirnrinde “Senile Plaques” mit Amyloid ß-Protein Neurofibrilären Knäulen des TAU Proteins
Morbus AlzheimerKrankheits Faktoren Genetische Faktoren
Amyloid Vorläufer Protein (APP) Presenelin1 Presenelin2 Apolipoprotein E (APOE)
Umwelt Faktoren Aluminium Gehirnverletzungen (Boxen)
Morbus AlzheimerPathologie Die Entstehung von krankhaften Protein
Aggregaten
Morbus AlzheimerPathologie Die Bildung von Amyloid ß-Ablagerungen
Morbus Alzheimerin C. elegans APP transgene Fadenwürmer bilden
Amyloid-ß Ablagerungen in Muskelzellen
50mm
Link et al. 2003
Morbus Alzheimerin Drosophila TAU Transgene Fliegen verlieren
alterersabhängig cholinerge Neurone und
…Neuronenendigungen
Auge 1d
ZNS 1d
Auge 30 d
ZNS 30 d
Ko TAU mTAU
Wittmann et al. 2001
Morbus Alzheimerin Drosophila APP und Psentransgene Fliegenentwickeln Plaquesund Neuro-degenerationen
Greeve et al. 2004
AusblickTiermodelle Tiermodelle ermöglichen die…..
Identifizierung von neuen Faktoren, die für den Krankheitsverlauf verantwortlich sind.
Identifizierung von Faktoren, die die Regeneration oder Neubildung von betroffenen Populationen von Neuronen bewirken.
Aufklärung von Mechanismen, die zu einem neurodegenerativen Krankheitsbild führen.
Testung in der Arzneimittelentwicklung (High-throughput-Screening)
Entwicklung neuer Therapieansätze für neurodegenerative Erkrankungen.
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