Freuden und Tücken der Biomedizinischen Forschung

Gerhild van Echten-Deckert

Tel. 73 2703E-mail: g.echten.deckert@uni-bonn.de

03.12.2018

1906: 37. Versammlung südwestdeutscher Irrenärzte in TübingenAlois Alzheimer berichtet über “eine eigenartige Erkrankung der Hirnrinde”Auguste D.

2010: World Alzheimer Report 2010AD häufigste neurodegenerative Erkrankung 35,6 Mill. Demenzkranke weltweit2030: 65,7 Mill. 2050: 115,4 Mill. Kosten weltweit: 604 Md. USD

2016: World Alzheimer Report 20162016: 47,0 Mill. Demenzkranke weltweit2050: > 131 Mill. Kosten weltweit 2016: 818 Md. USD

1. Auffälligkeit: Zerebrale Atrophie

“Miliare Herdchen, die über die ganze Rinde zerstreut sind und die durch die Einlagerungeines eigenartigen Stoffes in die Hirnrinde bedingt sind.”

2. Auffälligkeit

Images C & D are from Holtzman et al. Sci Transl. Med. 2011, 3, 1-17

“Sehr merkwürdige Veränderungen der Neurofibrillen, die sich zu dicken Bündeln zusammenlegen.”

3. Auffälligkeit

ohcm.oxfordmedicine.com/.../graphic10017.jpeg

Die von Alzheimer beschriebenen Auffälligkeiten und deren Bedeutung für die spätere Forschung

BAP-tisten:Senile (neuritische) Plaques (extrazelluläreAblagerungen von -Amyloid Peptid)

TAU-isten:Neurofibrilläre Bündel (intrazelluläre Neuro-fibrillenbündel aus hyper-phosphoryliertem TAU)

Senile (neuritische) Plaque

Spektrum der Wissenschaft,1992

Wie entstehen senile Plaques?

Price et al. Nature Genetics 1998

Auftreten der Alzheimer Demenz

Früher Beginn: Tritt vordem 66. Lebensjahr auf, (Early Onset AD) meist zw. 40. und 50. Lebensjahr

(< 5%)

Familiäre AD (FAD): Tritt häufiger in bestimmten Familien auf, oft(ca 0,5%) bei einem od. mehreren Mitgliedern der nach-

folgenden Generation.

Später Beginn: Tritt nach dem 66. Lebensjahr auf (Late Onset AD)

Sporadische AD Tritt ohne erkennbares Muster, in einer (>95%) anscheinend zufälligen Verteilung innerhalb

der Bevölkerung auf.

An der Alzheimer Krankheit beteiligte Gene

Gen Chromosom Gendefekt Erkrankungsalter Anteil WirkungMissense (Jahre) an AD-FällenMutationen insgesamt

FAD-Gene

APP 21 17/5 dup 43 - 62 0,07 %

PS1 14 155 33 - 60 0,4 %erhöhte

PS2 1 8 44 – 77 0,02 % Menge anβ-Amyloid im Gehirn

Risiko-Gene Prädispositionsform

APOE 19 ε4-Allel 40 – 30 – 60 %

Hauptrisikofaktor der Alzheimer Krankheit:Lebensalter!

Entstehen im Alter zunehmend senile Plaques ?

Sämtliche β-Amyloid-ausgerichtetenTherapieansätzescheiterten in der klinischen Phase III!

Price et al. Nature Genetics 1998

Sind möglicherweise ganz andere Gründe für den Ausbruch der Sporadischen AD (LOAD) kausativ????

Das Gehirn ist nach dem Fettgewebe das fettreichste Organ des Menschen

Erbliche Störungen im Stoffwechsel dieser „Gehirn-Fette“führen bei Mensch und Tier oft zu tödlichen Krankheiten

Sphingolipide: Historisches

Johann Ludwig Wilhelm Thudichum1884

OH

NH2

OH

Sphingolipide - Struktur

Sphingosin

HO

NH2

OH

Ceramid

HO

HN

OH

O

Ceramid

Gangliosid GM1

OH

HOOH

O

OHO

OH

OHHOO

O

AcHNO

OH

OOH

O

O

OHOH

O

OH

O

HOOC

HOOH

HO

CH3

HN CH3

O

OHAcHN

Sphingomyelin

O CH3

HN CH3

O

OHPON

OOCH3

H3CH3C

Ceramide

Sphingolipide bilden zelltyp-spezifische Muster

Sulfatide

GalCer

GM3

GM2

GM1GD3GD1aGD1bGT1b

GlcCer

LacCer

Gbose3CerGbose4Cer

Microglia

Myelinscheide

Axon

NeuronMuskel faser

Oligodendrozyten

Astrozyten

Neuronen

Endothelzellen

van Echten-Deckert & Herget, BBA 2006

Ceramide

Serine + Palmitoyl-CoA

Sphinganine

DihydroceramideDesaturase

Sphingosine

SphingomyelinGlycosphingolipids

PhosphataseS1P

Kinase Ethanolamine-phosphate

+Hexadekenal

Lyase

Apoptosis

Proliferation

The ceramide/S1P-rheostat in cell growth regulation

Always applicable?

cis-4-Methylsphingosine (cimes) is a synthetic prodrug for a metabolically stable S1P-analogue

cis-4-Methylsphingosine

OH

van Echten –Deckert et al. JBC 1997Nätzker et al., Biol Chem, 2002Nätzker et al., Genes Cells, 2006

CH3

HONH2

OH

Sphingosine HONH2

P

P

Ceramide

N-acyl-derivative//S132P

C Ccimes cimes

1 h 24 h

cimes32P

Ceramide

Serine + Palmitoyl-CoA

Sphinganine

DihydroceramideDesaturase

Sphingosine

SphingomyelinGlycosphingolipids

PhosphataseS1P

Kinase Ethanolamine-phosphate

+Hexadekenal

Lyase

Apoptosis

Proliferation

cis-4-MethylSo P

Proliferation Apoptosis

Swiss-3T3fibroblasts

neuronsneuroblastoma

van Echten –Deckert et al. JBC 1997van Echten-Deckert et al. JBC 1998Nätzker et al. Biol Chem 2002

cis-4-Methylsphingosine (cimes) is a synthetic prodrug for a metabolically stable S1P-analogue

Lyase-deficient mice

Ethanolamine-phosphate

+Hexadekenal

LyaseSphingosine

SphingomyelinGlycosphingolipids

PhosphataseS1P

Kinase

Ceramide

Generated by Paul van Veldhoven, Leuven, Belgium

Characteristics:Smaller size of pupsLife span: nursing period (usually 4-6 weeks)Breeding with +/- mice

-/-

+/+

S1P

Age: 6 weeks

Age: 6 days

+/+

+/-

-/-

S1P induces apoptosis in lyase-deficient primary cultured cerebellar neurons

+/+ -/-+/-

+/+ +/- -/-cyclin D1

-tubulin

12h

0

20

40

60

80

100

120vi

abili

ty (%

of +

/+)

+/+ +/- -/-

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

casp

ase

activ

ity(r

elat

ive

to +

/+)

+/+ +/- -/-

Hagen et al, JBC 2009

Effects of sphingoid bases on neuronal morphologyCorrelation with the apoptotic effect

-/-: S1P-lyase deficient neurons

cimes SphS1P

cimesPapoptotic

SK2

S1PS1Papoptotic

SK2

S1PSphSK1

PM

ER

The subcellular origin of S1P is essential for its neurotoxic effect

SPP

(LPP?)

Hagen et al, JBC 2009

Caspase-9 Caspase-3

neuronal apoptosis

p35 p25 CDK5 Rb

Z-LEHD-FMK

Caspase-12

tau P

ER-stress

intracellular

P

extracellular

Ca2+

cell cycle reactivation

Calpain

SK2MDL

MDL

ER

cimescimesP

cimes

S1P

SPP

Sph

S1P

SK2

Summary

Hagen et al, Cell Death Differ, 2011

Pathophysiological Relevance of S1P-Lyase ???

Correlation between S1P-lyase expression and neuronal apoptosis

Bars correspond to 50 µm

Hagen et al, Cell Death Differ, 2011

• S1P löst in Nervenzellen ein Selbstmordprogramm aus • Die Neurotoxizität von S1P ähnelt auf molekularer Ebene jener von -Amyloid und wird von den gleichen Faktoren vermittelt• S1P verursacht die für Morbus Alzheimer charakteristischen Veränderungen im Tau Protein•S1P begünstigt den amyloidogenen Stoffwechselweg vom Alzheimer Vorläuferprotein APP, der zur Bildung von senilen Plaques führt• S1P bewirkt im Cholesterolstoffwechsel die gleichen Veränderungen wie Alzheimer-begünstigende Bedingungen

Was spricht für eine Rolle von S1P bei der Entstehung von Morbus Alzheimer

Kritikpunkt: Mäuse sterben jung!

Lösung: Gehirn-spezifische Inaktivierung derS1P-lyase

Scheme of Sphingolipid Metabolism

Brain-specific deletionSPLfl/fl Nestin-Cre

Schematic of the Floxed S1PL Allele

* co-factor (PLP) binding site

floxed, Sgpl1flx/flx mice: Julie Saba, Oakland, CA, USA

Bonn: crossbreeding with the nestin-Cre transgenic mouse line Nes-Cre1

floxed, Sgpl1flx/flx

Conditional Knockdown of S1PL in Brains of 4-Weeks-Old Mice

RT-PCR

f/+ f/f f/+ cre

f/f /cre

Immunoblotcustomized AB

(Julie Saba)

Conditional Knockdown of S1PL in Murine Brain Does not Affect Life Span

Wt (n=5),f/f Nestin/Cre (n=4)total KO (n=3)

•Die gezielte Manipulation des S1P-Gehalts im Maus Gehirn beeinträchtigt vor allem präsynaptische Bereiche (möglicherweise durch Veränderungen der Autophagie und des Proteasomalen Systems).Wirkung auf Lernen und Gedächtnis?

Mitroi et al., Sci Rep 2016

7 day training trialsProbe trial on day 3, 5, 7

Hidden version of the Morris Water Maze test

Deficits in spatial learning and memory in SGPL1fl/fl/Nes mice

I have been searching my escape platform for quite

sometime!!!!

Control

Oh - I don’t remember or

recall anything!!!!

Lyase deficient mouse

http://www.nature.com/nrn/journal/v9/n1/fig_tab/nrn2297_F2.html

Activity during test(activity during test + activity during baseline).

Contextual fear-conditioning

120, 182 and 244 sec

CONCLUSIONS AND OUTLOOK

Targeted deletion of S1P-lyase in the brain affects:

- proteasomal and autophagic activity- expression of presynaptic proteins- APP processing- astrogliosis- short term synaptic plasticity

- learning and memory

Open questions:- how is S1P-Lyase activity linked to these changes- who is the culprit: S1P or sphingosine?

Was kann man tunum erfolgreich und gesund zu altern?

Die Drei „L“ Regel von Georg Wick

•Lieben•Laufen•Lernen

„Suche Deine Eltern sorgfältig aus und stirb früh.“

Dennis J. SelkoeHarvard Medical School

Boston