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Mitochondrial Instability, Lack of Erk1/2 Activation and High Expression of P75NTR in Engrailed-Deficient Mesencephalic Dopaminergic Neurons

Alavian, Kamabiz Nassirpour

German Title: Mitochondriale Instabilität, Fehlen von Erk1/2 Aktivierung und hohe Expression von P75NTR in Engrailed-defizienten mesencephalen dopaminergen Neuronen

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Abstract

Progressive loss of mesencephalic dopaminergic (mesDA) neurons is the main pathological feature of Prakinson’s Disease. The homeobox transcription factors, Engrailed-1 and Engrailed-2, are essential for survival and long-term maintenance of this neuronal population. In mutant embryos, null for both genes, the mesDA neurons are generated and start to express their neurotransmitter phenotype, but fail to differentiate and die during midgestation. The mice, heterozygous for Engrailed-1 and homozygous null for Engrailed-2, suffer a Parkinson’s Disease-like postnatal degeneration of their nigral DA neurons. Prior studies had shown that the Engrailed-deficient mesDA neurons die by apoptosis, evident from activation of caspase-3 and presence of pyknotic nuclei. The subject of this study was to elaborate more on the molecular pathway of death and to find out the mechanisms of survival by interfering with this process. In this work, I demonstrate that reduction in expression of Engrailed in mesDA neurons results in a higher sensitivity to mitochondrial apoptotic insult. The increased vulnerability to treatment with MPTP or specific inhibitors of Bcl-2 and Bcl-XL causes release of cytochrome C from the mitochondrial inter-membrane space into the cytosol and subsequent activation of caspases. I also show that the Engrailed deficiency results in increased expression of P75 neurotrophin receptor, which is causal to death of the neurons. The death of Engrailed double mutant mesDA neurons, as a direct result of high expression of P75, can be inhibited by application of TrkB/C-specific neurotrophins, BDNF, NT4 or NT3, by siRNA knockdown (of P75) or by addition of an inhibiting antibody for P75. The rescue effect of these survival factors is diminished by concurrent treatment of the primary cell cultures with an inhibitor of the extracellular signal regulated kinase1/2 (Erk1/2) pathway. Additionally, there is an inverse correlation between expression of P75 and phosphorylation of Erk1/2, suggesting that Erk1/2 deactivation is critical to the death signaling of P75. This study shows a connection between the etiology of PD, exemplified by mitochondrial instability, and the dose dependent survival effect of the Engrailed genes. In addition to causing mitochondrial vulnerability, the absence of engrailed genes activates a death pathway, instigated by the high expression of P75 and inhibition of activation of Erk1/2 pathway.

Translation of abstract (German)

Progressiver Verlust der mesencephalen dopaminergen (mesDA) Neurone ist das bedeutenste pathologische Kennzeichen von Morbus Parkinson. Die Homedomänen-Transkriptionsfaktoren Engrailed-1 und Engrailed-2 sind notwendig für das Überleben dieser neuronalen Population. In Mausembryonen die eine Nullmutation beider Gene tragen, entstehen diese Neurone und beginnen ihren Neurotransmittertyp zu exprimieren, differenzieren jedoch nicht und sterben während der Schwangerschaft ab. Mäuse, die heterozygot für Engrailed-1 und homozygot für Engrailed-2 sind, erleiden eine Parkinson-ähnliche postnatale Degeneration ihrer nigralen DA Neurone. Vorhergehende Studien haben gezeigt, dass die mesDA Neurone Apoptose durchlaufen, deutlich sichtbar an der Aktivierung von Caspase-3 und des Vorkommens von pyknotischen Nuklei. Das Ziel dieser Arbeit war die weitere Erforschung dieses molekularen Wegs zum Zelltod, der Mechanismus und Möglichkeiten, diesen zu stören oder zu unterbrechen. In dieser Arbeit zeige ich, dass die Reduktion der Expression von Engrailed in mesDA Neuronen zu einer höheren Empfindlichkeit gegnüber mitochondrialer apoptotischer Störung führt. Die höhere Sensivität gegenüber einer Gabe von MPTP oder spezifischen Inhibitoren für Bcl-2 und Bcl-XL verursacht die Freisetzung von Cytochrom C aus dem mitochondrialen inter-Membranraum in das Zytosol und eine darauffolgende Aktivierung von Caspasen. Ich zeige ausserdem, dass der Verlust von Engrailed zu einer erhöhten Expression von P75 Neurotrophin Rezeptor führt, der den Zelltod dieser Neurone verursacht. Der Tod der mesDA Neurone in Engrailed Doppelmutanten als eine Ursache von hoher P75 Expression kann durch TrkB/C spezifische Neurotrophine wie BDNF, NT4 oder NT3, durch siRNA knockdown von P75 oder durch Antikörper gegen P75 verhindert werden.Der positive Effekt dieser Überlebensfaktoren wird durch eine Behandlung der primären Zellkulturen mit einem Inhibitor des Signalweges der extrazellulären Signalkinase 1/2 (Erk1/2) verringert.Zusätzlich besteht eine inverse Korrelation zwischen der Expression von P75 und der Phosphorylierung von Erk1/2, die es wahrscheinlich erscheinen lässt, dass die Erk1/2 Deaktivierung notwendig für den Signalweg von P75 ist. Diese Studie zeigt eine Korrelation zwischen der Ätiologie von Morbus Parkinson, dargestellt durch eine mitochondriale Instabilität, und des dosisabhängigen Überlebenseffekts der Engrailed Gene. Ausser eine mitochondriale Verwundbarkeit hervorzurufen, führt die Abwesenheit der Engrailed Gene zur Aktivierung eines apoptotischen Signalwegs, der durch die hohe Expression von P75 und der Inhibition der Aktivierung des Erk1/2/ Signalwegs ausgelöst wird.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Simon, Horst
Date of thesis defense: 9 November 2006
Date Deposited: 14 Nov 2006 11:23
Date: 2006
Faculties / Institutes: Medizinische Fakultät Heidelberg > Institut für Anatomie und Zellbiologie
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Dopamin, Parkinson-Krankheit, Apoptosis, Gen engrailed
Uncontrolled Keywords: Dopaminergic , Substantia Nigra , Neurotrophin , Parkinson's , Engrailed , Apoptosis
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