Molecular mechanisms of cytoskeletal dysregulations in Spinal Muscular Atrophy (SMA)

Die Spinale Muskelatrophie (SMA) ist eine monogenetische, neurodegenerative Erkrankung, die in ihrer schwersten Form hauptsächlich bei Kindern auftritt. Klinisch manifestiert sich die SMA in schwerer proximaler Muskelatrophie, was in den schlimmsten Fällen zum Versterben der Betroffenen in den ersten Lebensmonaten führt. Ursache hierfür ist die Neurodegeneration von α-Motoneuronen des Rückenmarks und des Hirnstammes, ausgelöst durch eine homozygote Deletion oder Mutation des Survival Motoneuron 1 (SMN1) Gens. SMN1 codiert für das ubiquitär exprimierte Survival of Motoneuron (SMN) Protein. Menschen besitzen eine oder mehrere homologe Kopien dieses Gens, SMN2. Eine spezifische Mutation von SMN2 resultiert in der Expression einer geringen Menge SMN und hauptsächlich einer verkürzten und instabilen SMN-Isoform, des SMNΔ7. Die Anzahl der SMN2 Kopien korreliert daher positiv mit dem Schweregrad des SMA-Phänotyps. Je höher die Kopienanzahl, desto mehr SMN-Protein wird exprimiert und desto weniger schwer ist der SMA-Phänotyp. Neurodegeneration ist das dominante Kennzeichen der SMA. Durch zugelassene Therapien und damit erhöhte Lebenserwartung von Patienten haben die multisystemischen Aspekte der SMA in den letzten Jahren deutlich an klinischer Relevanz gewonnen. Viele Pathomechanismen in der SMA sind nach wie vor nicht ausreichend charakterisiert. Der Grund für die erhöhte Sensitivität von α-Motoneurone hinsichtlich eines reduzierten SMN-Levels ist weiterhin ungeklärt. Erfolgreiche Neurogenese sowie die Aufrechterhaltung der Physiologie von α-Motoneuronen bedingt funktionale Aktindynamik. Das SMN-Protein reguliert über die direkte Bindung von Profilin2a (PFN2a) die Aktindynamik in Neuronen. Bei SMN-Verlust kommt es zur Dysregulation des Aktinzytoskeletts, insbesondere zu Defekten in neuronalem Wachstum, axonaler Wegfindung und Verzweigung sowie Ausbildung funktionaler Synapsen. Die genauen Mechanismen der SMN-mediierten Aktinregulation sind allerdings nach wie vor nicht bekannt. Verschiedene Studien deuten auf eine direkte Interaktion von SMN und Aktin hin. Allerdings wurde dies bisher nicht molekularbiologisch untersucht und auch die Bedeutung für Pathomechanismen in der SMA sind bisher unbekannt.

Das Ziel dieser Studie war es, weitere Mechanismen der SMN mediierten Regulation des Aktinzytoskeletts aufzuzeigen. Darüber hinaus wollten wir die neurodegenerativen Prozesse, welche durch dysregulierte Profilin-Proteinhomöostase verstärkt werden, weiter charakterisieren. Daran anschließend wollten wir systematisch die Aktin-regulierenden neurotrophen Signalwege und ihr komplexes Zusammenspiel beschreiben. Im Fokus stand dabei, Zielmoleküle zur Entwicklung von SMN-unabhängigen Therapien aufzuzeigen.

In der ersten Studie (Manuskript I), haben wir post-translationale Modifikationen (PTMs) des SMN-Proteins hinsichtlich ihrer Bedeutung für SMN-Funktionen diskutiert. Dabei haben wir den Schwerpunkt auf die Regulation mittels Phosphorylierung und ihre Auswirkung auf Protein-Stabilität, -Lokalisation, -Oligomerisation sowie Protein-Protein-Interaktionen im Kontext der SMA gelegt. SMN-Mutationen an bestimmten putativen oder bestätigten Phosphorylierungsstellen können Protein-Protein-Interaktionen verringern und dabei zur Dysregulation von SMN regulierten biologischen Prozessen führen.

In der zweiten Studie (Manuskript II), haben wir die Interaktion von SMN mit dem Aktinzytoskelett charakterisiert. Das SMN-Protein bindet auch unabhängig von PFN2a an Aktin und reguliert damit direkt die Aktindynamik in Neuronen. Außerdem deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass dysregulierte Aktindynamik SMN-unabhängig, also nicht mehr durch die Rettung der SMN-Proteinlevel, korrigierbar wird. Verstärkt wird dies wahrscheinlich durch die prominente Dysregulation der Profilin-Proteinhomöostase in der SMA.

In der dritten Studie (Manuskript III), haben wir in einem weiteren neurodegenerativen Modell, der Amyotrophen Lateral Sklerose (ALS), Konsequenzen einer dysregulierten Profilin-Proteinhomöostase charakterisiert. Mechanistische Ansätze zur Rettung der Aktin-regulierenden Proteine und Signalnetzwerke könnten dabei auf verschiedene neurodegenerative Erkrankungen übertragen werden.

In der letzten Studie (Manuskript IV), haben wir einen systemischen Ansatz zur Beschreibung von dysregulierten neurotrophen Signalwegen und ihrer Interaktion gewählt. Dabei stand die Charakterisierung von Zielmolekülen im Vordergrund, welche zur Etablierung SMN-unabhängiger Therapien adressiert werden könnten.