German Title: Die Rolle von KATP Kanaelen in Modellsystemen dopaminergen neuronalen Verlusts im ventralen Mittelhirn

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Abstract

The dopaminergic neurons of the ventral midbrain (mesDA neurons) form several distinct sub-populations which are involved in emotional control, reward behavior and motor control. In patients with the neurodegenerative disorder Parkinsons Disease (PD), one of these groups, the dopaminergic neurons of the substantia nigra, pars compacta (SNpc) gradually die. One focus of research has been to find an explanation why the SNpc neurons are more vulnerable to cellular stress than other neuronal populations. In engrailed mutant mice, the absence of the homebox transcription factors engrailed 1 and engrailed 2 (En1 and 2) causes a cell-autonomous and gene-dose dependent loss of mesDA neurons. Recently, our lab identified several genes differentially expressed between wild-type and engrailed mutant mice. Analysis of mouse mutants of one of the genes, the forkhead containing trancription factor 1, Foxa1 (formerly HNF3α) showed no phenotype in regard to the mesDA neurons. As it is well known that members of the Fox/HNF family of genes can compensate for each other, we focused our research on one downstream target of Fox genes, the expression of KATP channels in mesDA neurons. KATP channels consist of Sur1 or 2 and Kir6.1 or 6.2 subunits and link the metabolic state of a cell to its membrane potential. Our hypothesis was, that misregulation or impairment of these channels may lead to an increased electrical activity of the mesDA cells, putting them under heightened physiological stress which then may in turn cause cell death. Analysis of both Sur1 and Kir6.2 mouse mutants showed no change in TH+ cell number, cell density or density of axonal projections, thus a loss of functional KATP channels has no effect on the survival of mesDA neurons. After Liss and colleagues found a decreased cell loss when Kir6.2 mutant mesDA cells suffer a toxin insult, we revised our hypothesis and postulated that the normal open-closed state of KATP channels influences cellular survival when the cell is under oxidative stress. In this work, I show that blocking KATP channels in vitro by pharmaceutical means has a positive effect on cell survival when mesDA are under oxidative stress. Conversely, forced activation of KATP channels under these conditions leads to an increased rate of cell death. Furthermore, abolishment of KATP channel expression in En1-/+:En2-/- mice leads to a complete rescue of the mesDA cell of the SNpc. This highlights the importance of KATP channel function and may give a new direction in the development of drugs targeting Parkinsons disease.

Translation of abstract (German)

Die dopaminergen Neurone des ventralen Mittelhirn (mesDA) sind an der Kontrolle von Emotionen, Belohnungserwartung und Motorfunktionen beteiligt. In Patienten mit der neurodegenerativen Krankheit Morbus Parkinson sterben die dopaminergen Neurone der Substantia Nigra, pars compacta, ab. Es ist unklar, warum die SNpc Neurone gegenüber zellulärem Stress anfälliger sind als andere neuronale Zellgruppen. In engrailed Maus Mutanten, verursacht die Abwesenheit der Homeobox-Transkriptionsfaktoren engrailed-1 und engrailed-2 einen progressiven Verlust der mesDA Neurone. Kürzlich identifizierte unser Labor zahlreiche Gene, die zwischen engrailed Mutante und Wildtyp differentiell exprimiert werden. Die Analyse des Gens Foxa1, eines “forkhead-containing”-Transkriptionsfaktors, zeigte aber keinen Phänotyp im Bezug auf die mesDA Neurone. Da aber bekannt ist, dass die Mitglieder der Fox-Familie füreinander kompensieren können, fokussierten wir unser Interesse auf eines der down-stream Ziele der Fox Gene, die Regulation der Expression von KATP Kanälen in mesDA Neuronen. KATP Kanäle bestehen aus Sur1 oder 2 und Kir6.1 oder 6.2 Untereinheiten und stellen einen intrazellulären Energiesensor der Zelle dar. Unsere Hypothese war, dass eine Beeinträchtigung dieser Kanäle zu einer erhöhten elektrischen Aktivität der mesDA Neurone führt, die diese unter erhöhten physiologischen Stress setzt, der ultimativ den Tod der Zelle verursacht. Die Analyse von sowohl Sur1 als auch Kir6.2 Mausmutanten zeigte aber keine Veränderungen im Bezug auf das mesDA System, also hat ein Verlust von funktionalen KATP Kanälen keine Auswirkungen auf das Überleben der Neurone. Nachdem Liss und Kollegen in Kir6.2 Mutanten einen reduzierten Zelltod feststellten, wenn diese Tiere mit einem Toxin behandelt wurden, änderte ich meine Hypothese dahingehend, dass der normale Status der KATP Kanäle von Offen und Geschlossen das Überleben der Zelle beeinflusst, wenn diese unter physiologischem Stress steht. In dieser Arbeit zeige ich, dass die Blockade von KATP Kanälen einen positiven Effekt und die Öffnung einen negativen Effekt auf mesDA Neurone hat, wenn diese unter oxidativem Stress stehen. Des weiteren zeige ich, dass ein Fehlen von KATP Kanalexpression in En1-/+:En2-/- Mäusen zu der Wiederherstellung des mesDA Wildtyp-Phänotyps führt. Dies ist ein Hinweis für die Bedeutung der KATP Kanalfunktion und kann zu neuen Ansätzen in der Entwicklung von Parkinson- Medikamenten führen.