Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

 Sebastian Rademacher

 

Cytoskeletal dysregulation in the motoneuron disease

Spinal Muscular Atrophy (SMA)

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-110082

title (ger.)

Dysregulation des Zytoskeletts in der neurodegenerativen Erkrankung Spinale Muskelatrophie (SMA)

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/rademachers_ss17.pdf

abstract (deutsch)

Die Spinale Muskelatrophie (SMA) ist eine monogenetische, neurodegenerative Erkrankung, welche in ihrer schwersten Form bei Neugeborenen zum Absterben von Motoneuronen, progressiver Muskelschwäche und -atrophie führt. Der Verlust des SMA-verursachenden Genprodukts Survival of motoneuron (SMN) resultiert in pathologischen Veränderungen in Motoneuronen. Diese beinhalten Defekte im Spleißen von mRNA, Dysregulation des Aktinzytoskeletts und letztlich das Absterben dieser Zellen. Die veränderte Regulation des Zytoskeletts in SMA wird durch hyperaktive RhoA-associated coiled-coil kinase (ROCK) verursacht, welche wiederum Aktin-bindende Proteine reguliert, die im Auf- und Abbau von F-Aktin eine Rolle spielen. Die Gründe, die zur Hyperaktivierung von ROCK führen, sind jedoch weitgehend unbekannt.

Es war das Ziel dieser Dissertation, differenziell exprimierte Biomoleküle zu identifizieren, die oberhalb von ROCK liegen. Ferner sollte ihre Rolle in der SMA Pathogenese untersucht werden. Im ersten Teil dieser Studie wurden Transkriptomanalysen in einem zellulären SMA Modell durchgeführt. Hier wurden Rezeptoren und Liganden verschiedener Klassen identifiziert, die die Richtung während des axonalen Wachstums bestimmen. Darüber hinaus wurden Transkripte von kleinen GTPasen, die in der Zytoskelettregulation involviert sind, dysreguliert gefunden.

Der richtungsweisende Rezeptor PlexinD1, der in der Transkriptomanalyse identifiziert worden war, wurde in weiterführenden Experimenten betrachtet, da er u.a. ROCK als Effektorkinase nutzt. Der zweite Teil dieser Studie beschreibt, dass PlexinD1 durch Metalloproteasen geschnitten wird. Dieses Schneiden in SMA ändert die Rezeptoreigenschaften nach Stimulation mit Semaphorin3E, einem spezifischen Liganden für PlexinD1. Inhibition von Metalloproteasen stellt die veränderte Signaltransduktion wieder her. Darüber hinaus bindet das intrazelluläre PlexinD1 Fragment an actin rods. Diese sind Aktin-enthaltende Strukturen, die sich bei oxidativem Stress ausbilden, und bisher aus der Alzheimerschen Krankheit bekannt sind. Zusammenfassend liefern diese Daten eine mögliche Rationale für den Einsatz von Metalloproteaseinhibitoren in SMA, um das Schneiden von PlexinD1 zu verhindern, die Signaltransduktion von PlexinD1 wiederherzustellen und die Anzahl an actin rods zu reduzieren.

Im dritten Teil der Studie wurde ein weiteres Effektormolekül von PlexinD1 untersucht, phosphatase and tensin homologue (PTEN). Es wurde gezeigt, dass PTEN mit SMN interagiert und dieses dephosphoryliert. Diese Dephosphorylierung reguliert die Stabilität von SMN und die Anzahl an Kernkörperchen, die für die Maturierung von kleinen nukleären Ribonukleoprotein Partikeln (snRNPs), Bestandteile des Spleißosoms, notwendig sind.

Zusammenfassend eröffnen die Erkenntnisse dieser Dissertation neue Möglichkeiten, Phänotypen der SMA zu vermindern. Erstens, der Einsatz von Metalloproteaseinhibitoren ist eine potenzielle Strategie, um PlexinD1-assoziierte Wegfindungsdefekte während der Axonogenese zu verhindern. Zweitens, die Modulation der SMN Phosphorylierung ermöglicht es, die Stabilität und Funktion von SMN zu erhöhen. 

abstract (englisch)

Spinal Muscular Atrophy (SMA) is a monogenic, neurodegenerative disease leading to loss of motoneurons concomitant with progressive muscle weakness and atrophy in children in its severest form. Loss of the SMA-determining gene product Survival of motoneuron (SMN) results in pathological changes in motoneurons including pre-mRNA splicing defects, cytoskeletal dysregulation and finally death of these cells. Aberrant regulation of the actin cytoskeleton in SMA is mediated by hyperactive RhoA-associated coiled-coil kinase (ROCK), which in turn regulates actin-binding proteins involved in F-actin assembly and disassembly. Nonetheless, mechanisms leading to ROCK hyperactivation are poorly understood.

It was the aim of this study to identify differentially expressed biomolecules acting upstream of ROCK and to analyse their roles in SMA pathogenesis. In the first part of this dissertation, transcriptome analyses have been performed in a cellular SMA model. It has been found that guidance receptors/guidance cues of several classes are de-regulated. Furthermore, small GTPases involved in cytoskeletal regulation are aberrantly transcribed.

The guidance receptor plexinD1 identified by transcriptome profiling has been chosen for further experiments as it uses ROCK as effector kinase. The second part of this study describes that plexinD1 is cleaved by metalloproteases. Cleavage thereby changes the cellular response upon stimulation by plexinD1’s specific ligand semaphorin3E under SMA conditions which can be fully reversed by inhibition of metalloproteases. Additionally, the intracellular cleavage product of plexinD1 binds to actin rods, actin-containing structures being formed upon oxidative stress and known from Alzheimer’s disease. Together, these data provide a rationale use of metalloprotease inhibitors in SMA to reduce plexinD1 cleavage, restore semaphorin/plexin-mediated signalling and reduce the number of actin rods.

In the third part, the role of another plexinD1 effector molecule, phosphatase and tensin homologue (PTEN), has been analysed. It has been found that PTEN is an interactor of SMN. Moreover, PTEN dephosphorylates SMN and regulates its stability and the number of nuclear bodies, which are necessary for the maturation of small nuclear ribonucleoprotein particles (snRNPs) forming the spliceosome.

In conclusion, the results of this dissertation open novel possibilities to attenuate phenotypes observed in SMA. First, the use of metalloprotease inhibitors is a potential strategy to prevent plexinD1-mediated pathfinding defects during axonogenesis. Second, modulation of SMN phosphorylation reveals a putative approach to increase SMN stability and function.  

keywords

Spinal muscular atrophy, cytoskeleton, ROCK pathway / Spinale Muskelatrophie, Zytoskelett, ROCK Signalweg

kb

3.068