Endoplasmic Reticulum Stress, Regulation of Autophagy and Ubiquitin-proteasome System in Cellular Models of Huntington s Disease

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0072-6
Title: Endoplasmic Reticulum Stress, Regulation of Autophagy and Ubiquitin-proteasome System in Cellular Models of Huntington s Disease
Author: Hyrskyluoto, Alise
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Medicine, Institute of Biomedicine, Division of Biochemistry and Developmental Biology
Minerva Foundation Institute for Medical Research
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: URN:ISSN:2342-317X
Abstract: Huntington s disease (HD) is a fatal neurodegenerative disease with progressive motor dysfunction, cognitive decline and psychiatric disturbances. HD is caused by a CAG repeat expansion in the huntingtin (IT15) gene, which encodes the huntingtin protein. Mutations in huntingtin cause accumulation of protein aggregates with subsequent cell death and loss of neurons in the striatum and cortex. The exact molecular mechanisms by which mutant huntingtin (mHTT) induces cell death are not completely understood. Huntingtin protein participates in many cellular functions such as protein trafficking, transcriptional regulation and apoptosis. Mutant protein is cleaved to form N-terminal fragments containing the first 100-150 residues including the polyglutamine repeats, which are thought to be the toxic species found in aggregates. Previous studies have shown that endoplasmic reticulum (ER) stress is involved in the early pathogenesis of HD. However, the precise mechanisms by which mHTT proteins cause ER stress are still unclear. The aim of this thesis was to elucidate the early pathological changes in HD. The specific goal was to study in more detail how ER stress, alterations in autophagy and ubiquitin proteasome system and oxidative stress trigger the disease and by which mechanisms. This thesis also aimed to identify novel therapeutic targets for early pathogenic changes in HD. The results showed that growth arrest and DNA damage inducible gene 34 (GADD34) plays an important role in cell protection and mediates cytoprotective autophagy via the mammalian target of rapamycin (mTOR) pathway in mHTT expressing cells. Modulation of GADD34 may thus prove useful in counteracting cell degeneration accompanying HD. Our results also showed that the sigma-1 receptor (Sig1R) agonist PRE084 increased levels of cellular antioxidants by affecting the NF-κB pathway that is reduced by expression of mHTT proteins. The Sig1R agonist increased cell survival and counteracted the deleterious effects caused by N-terminal mHTT proteins. Compounds that influence the Sig1R may have beneficial effects in models of HD, which warrants further studies. This thesis also shows that overexpression of ubiquitin-specific protease-14 (Usp14) reduces cellular aggregates in mHTT expressing cells mainly via the ubiquitin proteasome system. Overexpression of Usp14 was able to inhibit phosphorylation of inositol requiring enzyme 1 (IRE1) in mHTT expressing cells and to protect against cell degeneration and caspase-3 activation. These results show ER stress induced IRE1 activation is part of mHTT toxicity, which is inhibited by Usp14.Huntingtonin tauti on perinnöllinen aivojen rappeumasairaus, joka edetessään johtaa kuolemaan 15 - 20 vuoden kuluttua oireiden alettua. Oireisiin kuuluvat muun muassa häiriöt muisti-, päättely- ja havaintotoiminnoissa, tasapainossa ja liikkeiden hallinnassa sekä persoonallisuuden muutokset. Taudin eteneminen on kuitenkin yksilöllistä, eikä jokaisella potilaalla kehity kaikkia oireita. Tauti puhkeaa yleensä keski-iässä, tavallisimmin 35 - 50 ikävuoden välillä. Huntingtonin tautiin ei ole parantavaa hoitoa, vain oireita voidaan lievittää lääkityksellä. Taudin esiintyvyys länsimaissa on 4 - 10 tapausta 100 000 yksilöä kohden. Huntingtonin tauti johtuu geenivirheestä. Kun huntingtiini geenissä on polyglutamiinia koodaavan CAG-emästoistojakson monistuma, sairastuu geeniä kantava henkilö Huntingtonin tautiin. Geenimuutos sijaitsee kromosomissa 4. Normaalisti CAG-jakso on 34 trinukleotidia, mutta Huntingtonia sairastavilla se on yli 38 trinukleotidia pitkä. Geenivirhe johtaa viallisen huntingtiini proteiinin muodostumiseen. Huntingtonin tauti periytyy dominoivasti, joten sairastuneen lapsilla on 50 prosentin todennäköisyys periä tauti. Huntingtiini proteiini osallistuu moniin solun toimintoihin, kuten proteiinien kuljetukseen, geenien transkription säätelyyn sekä solukuolemaan. Vialliset huntingtiini proteiinit muodostavat kertymiä ja proteiiniplakkeja hermosoluihin, etenkin aivojen kuorikerroksessa ja aivojuoviossa. Mutatoituneen huntingtin proteiinin toiminta johtaa muutoksiin solujen aineenvaihdunnassa ja hermoston toiminnassa. Huntingtonin tautia sairastavilla potilailla on havaittu jo taudin varhaisessa vaiheessa hermosolujen katoa. Näihin muutoksiin johtavista mekanismeista tiedetään vielä hyvin vähän. Väitöskirjan tulokset osoittivat, että Huntingtonin taudin solulinjamallissa GADD34 proteiini lisäsi soluja suojaavaa autofagiaa sekä vähensi mutatoituneen huntingtiini proteiinin aiheuttamaa solukuolemaa. Lisäksi väitöskirjassa näytettiin, että sigma-1 reseptorin agonisti, PRE084, lisäsi antioksidanttien määrä vaikuttamalla NF-κB signalointireittiin ja vähensi mutantti huntingtiini proteiinin aiheuttamaa solukuolemaa soluviljelmissä. Väitöskirjatyö myös osoitti, että de-ubikitinoivan entsyymin (Usp14) yliekspressio vähensi mutantti huntingtiini proteiinin kertymiä kahdessa eri Huntingtonin taudin solumallissa. Tutkimus näytti, että Huntingtonin taudin soluviljelmissä ja transgeenisen mutanttihiiren kudoksissa ER stressiin liittyvä proteiini IRE1 oli poikkeavasti aktivoituneena. Usp14 proteiinin yliekspressio vähensi IRE1 aktivoitumista mutantti huntingtiinia ekspressoivissa soluissa ja suojasi solukuolemalta. Väitöskirjatyössä tutkittiin Huntingtonin taudin varhaisen vaiheen patogeenisia muutoksia, jotka johtavat hermosolujen kuolemaan. Hermosolukuolemaan johtavien mekanismien parempi tunteminen antaa uusia mahdollisuuksia diagnostisten sekä terapeuttisten sovelluksien kehittämiseen Huntington tautia sairastavien potilaiden hoidossa.
URI: URN:ISBN:978-951-51-0072-6
http://hdl.handle.net/10138/135762
Date: 2014-09-12
Subject: biolääketiede, biokemia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
endoplas.pdf 1.773Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record