Litiul scade proteina acidă fibrilară glială într-un model de șoarece al bolii Alexander

Centrul de afiliere Waisman, Universitatea din Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin, Statele Unite ale Americii

Departamentul de afiliere pentru neurologie, Universitatea din Bonn, Bonn, Germania

Centrul de afiliere Waisman, Universitatea din Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin, Statele Unite ale Americii

Departamentul de afiliere pentru neurologie, Universitatea din Bonn, Bonn, Germania

Afilieri Waisman Center, Universitatea din Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin, Statele Unite ale Americii, Departamentul de Biosciences Comparative, Universitatea din Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin, Statele Unite ale Americii

Christine M. LaPash Daniels,
Elizabeth Paffenroth,
Elizabeth V. Austin,
Konstantin Glebov,
Diana Lewis,
Jochen Walter,
Albee Messing

Cifre

Abstract

Citare: LaPash Daniels CM, Paffenroth E, Austin EV, Glebov K, Lewis D, Walter J, și colab. (2015) Litiul scade proteina acidă fibrilară glială într-un model de șoarece al bolii Alexander. PLoS ONE 10 (9): e0138132. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0138132

Editor: David R. Borchelt, Universitatea din Florida, STATELE UNITE

Primit: 21 iunie 2015; Admis: 25 august 2015; Publicat: 17 septembrie 2015

Disponibilitatea datelor: Toate datele relevante sunt conținute în hârtie și în fișierele sale de informații suport.

Finanțarea: Această lucrare a fost susținută de subvenții de la Institutul Național de Tulburări Neurologice și Accident vascular cerebral (ninds.nih.gov; NS060120 și NS042803 la AM), Institutul Național pentru Sănătatea Copilului și Dezvoltarea Umană (nichd.nih.gov; P30 HD003352 la Waisman Center), și Fondul Juanma (AM). Finanțatorii nu au avut niciun rol în proiectarea studiului, colectarea și analiza datelor, decizia de publicare sau pregătirea manuscrisului.

Interese concurente: Autorii au declarat că nu există interese concurente.

Introducere

Boala Alexander este o boală neurodegenerativă rară și fatală caracterizată prin formarea incluziunilor de proteine, numite fibre Rosenthal, în corpurile și procesele celulelor astrocitelor. Aproape toate cazurile sunt asociate cu mutații dominante în proteina acidă fibrilară glială a filamentului intermediar (GFAP) [1], care par să acționeze într-un mod de câștig de funcție. Debutul poate apărea pe tot parcursul vieții, cu simptome precum convulsii și întârzieri psihomotorii în dezvoltare frecvente la pacienții mai tineri și dificultăți de vorbire și înghițire, disfuncție autonomă și tulburări de mers mai frecvente la pacienții vârstnici [2]. Boala Alexander este clasificată printre leucodistrofii datorită defectelor proeminente ale substanței albe prezente, în special la pacienții cu debut precoce.

În timp ce întrebarea dacă fibrele Rosenthal în sine sunt toxice este nerezolvată, o ipoteză principală pentru a explica patogeneza este că nivelurile de proteine GFAP se acumulează peste un prag toxic (încă nedefinit), ducând la disfuncția astrocitelor și la pletora efectelor secundare asupra altor tipuri sistemul nervos central [3]. Într-adevăr, creșterile GFAP se găsesc în mod constant în boala Alexander, atât atunci când sunt măsurate în parenchimul creierului, cât și în LCR [4, 5]. GFAP este o componentă majoră a fibrelor Rosenthal și, de fapt, formarea fibrelor Rosenthal poate fi inițiată pur și simplu prin supraexprimarea chiar a GFAP de tip sălbatic la niveluri suficient de ridicate [6]. Acumularea de GFAP care se găsește în boala Alexander rezultă în parte din sinteza crescută, deoarece nivelurile de ARNm sunt crescute [7] și există o creștere spontană a activității promotorului GFAP [8]. În plus, schimbări complexe apar în căile de degradare. De exemplu, GFAP mutant al bolii Alexander activează un răspuns la stres c-Jun N-terminal kinază (JNK) care blochează activitatea proteazomului [9, 10]. Împreună, modificările sintezei și degradării ar putea duce la bucle de feedback pozitiv care exacerbează acumularea de GFAP.

Reducerea acumulării GFAP sub nivelurile toxice a fost propusă ca o strategie potențială pentru tratament [11]. Considerând căile de degradare ca țintă terapeutică, o posibilitate de reducere a agregării proteinelor este inducerea autofagiei. Autofagia (macro-autofagia) este o cale de degradare nespecifică pentru proteinele citoplasmatice de lungă durată, complexele de proteine și organite [12]. Medicamentele care induc autofagii s-au dovedit utile pentru scăderea agregatelor de proteine în modele ale altor tulburări neurodegenerative, cum ar fi boala Huntington, boala Parkinson, ataxia spinocerebeloasă și tauopatia [13-17]. Într-adevăr, bazându-se în mare parte pe modele de cultură celulară, autofagia pare a fi crescută în mod natural la pacienții cu boală Alexander, iar autofagia contribuie la degradarea GFAP [4]. Am emis ipoteza că creșterea autofagiei în continuare în boala Alexander ar putea reduce nivelurile de proteine.

Litiul poate inhiba GSK3β direct, prin concurență cu Mg ++ și indirect prin Akt/PKB. Inhibarea GSK3β are loc prin fosforilare (P) la Serina 9 (S9). Dezinhibarea mTOR poate duce apoi la o scădere a autofagiei. Litiul poate crește, de asemenea, autofagia prin calea IMPase. Alternativ, litiul poate inhiba STAT3 direct sau indirect prin GSK3β, prin scăderea fosforilării sale la tirozină 705 (Y705). STAT3 este apoi împiedicat să se transloce către nucleu unde s-ar lega în mod normal la promotorul GFAP și ar activa transcripția. Textul roșu indică inhibarea, iar textul albastru indică activarea căilor de către litiu.

Datorită efectelor sale raportate asupra autofagiei, STAT3 și GFAP, am încercat să testăm dacă litiul ar putea scădea nivelul GFAP într-un model de șoarece al bolii Alexander. Șoarecii knock-in Gfap-R236H au o mutație omologă mutației comune R239H la om și reproduc mai multe caracteristici ale bolii, inclusiv GFAP crescut, fibrele Rosenthal, un răspuns crescut la stres și o susceptibilitate crescută la convulsii [26]. Am constatat că tratamentul cu litiu a scăzut proteina GFAP și transcrierile în mai multe regiuni ale creierului și măduvei spinării la șoareci mutanți Gfap, deși cu efecte secundare și decese care au fost dependente de doză. Markerii pentru autofagie au fost neschimbați, deși a existat o activare diminuată a STAT3, indicând faptul că litiul poate scădea nivelurile de GFAP prin reglarea transcripțională mai degrabă decât prin căile de degradare a proteinelor.

Materiale și metode

Declarație de etică

Toate studiile au fost efectuate în conformitate cu recomandările Ghidului Institutului Național de Sănătate pentru Îngrijirea și Utilizarea Animalelor de Laborator și au fost aprobate de Comitetul pentru Îngrijirea și Utilizarea Animalelor de la Școala Absolventă de la Universitatea din Wisconsin-Madison (protocoalele G00199, G00321, și G00549).

Șoarecii knock-in cu mutația punctuală Gfap-R236H au fost generați așa cum s-a descris anterior [26] și au fost menținuți ca heterozigoți în fundalul FVB/N așa cum s-a descris anterior [27]. Șoarecii transgenici Gfap-luc exprimă luciferaza licurică sub controlul a 12 kb al promotorului Gfap de șoarece [28] și au fost, de asemenea, menținuți în fundalul FVB/N. Șoarecii au fost adăpostiți pe un ciclu de întuneric/lumină de 10 h/14 h cu 2-5 șoareci pe cușcă. Șoareci R236H/+ bărbați și femele și +/+ tovarăși au fost folosiți pentru experimente și datele de la fiecare sex au fost analizate separat, cu excepția cazului în care se indică altfel. S-au încercat cercetătorii orbi pentru tratamentul medicamentos, dar din cauza urinării crescute și a altor efecte secundare ușoare cauzate de LiCl, a devenit evident ce șoareci primeau LiCl și nu s-au făcut eforturi suplimentare pentru a continua „orbirea” studiilor. Șoarecii au fost tratați în ordine crescătoare a numărului de identificare, șoarecii mai tineri având numere de identificare mai mari (cele mai noi litiere au fost tratate ultima dată). Toate prelucrarea probelor și analiza inițială a datelor au fost făcute fără cunoștințe despre genotipul sau tratamentul medicamentos. În timpul tuturor studiilor, șoarecii au fost monitorizați cel puțin o dată pe zi. Șoarecii care s-au dovedit a fi inactivi și incapabili să acceseze cu ușurință alimentele sau apa au fost eutanasiați.