Cellular Physiology and Cell-to-Cell Propagation of Tau in Neurodegeneration: The Impact of Late-Onset Alzheimer's Disease Susceptibility Genes

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1826-4
Title: Cellular Physiology and Cell-to-Cell Propagation of Tau in Neurodegeneration: The Impact of Late-Onset Alzheimer's Disease Susceptibility Genes
Author: Nykänen, Niko-Petteri
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, Division of physiology and neuroscience
Neuroscience Center
University of Helsinki
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: URN:ISSN:2342-317X
Abstract: Abnormal regulation of various posttranslational modifications (PTMs) of microtubule- associated protein tau induce its self-aggregation, which is a hallmark pathophysiological process of neurodegenerative diseases (NDDs) collectively called as tauopathies including Alzheimer s disease (AD) and frontotemporal dementia. Increased tau phosphorylation is a key PTM in conversion of tau into more toxic species in cells, which is regulated by interactions of various protein kinases and phosphatases. However, the exact mechanism(s) of how various combinatory PTMs affect aggregation and cell-to-cell propagation of tau are poorly understood. We developed a novel live cell reporter system based on protein-fragment complementation assay (PCA) and studied dynamic protein- protein interactions of tau in native cellular environment. The PCA was further validated on investigating cellular secretion and uptake of tau in live cells. A proof-of-concept screen was performed using PCA platform revealed several GABAA receptor activators that altered the interaction of tau-Pin1. Pin1 act as a critical facilitator of tau dephosphorylation by catalyzing the isomerization of cis/trans peptidyl-prolyl bond at phosphorylated Thr231-Pro motif of tau. Additionally, we showed that screen-identified GABAA receptor modulators increased tau phosphorylation at the AT8 phosphoepitope in cultures of mature primary cortical neurons and remained at elevated level 24 h after washout of the drugs. Mechanistic studies suggested that enhanced GABAA receptor- induced tau phosphorylation was associated with decreased interaction of tau and protein phosphatase 2A (PP2A) without any reduction in enzymatic activity of PP2A and involved CDK5 kinase. Furthermore, the assessment of expression and splicing status of late-onset AD (LOAD) susceptibility genes in our neuropathologically validated AD cohort of post mortem brain samples revealed increased expression of MS4A6A and decreased expression of FRMD4A in regards to increased AD-related neurofibrillary pathology according to Braak staging. Moreover, the expression level of FRMD4A was functionally associated with amyloidogenic APP processing and increased tau phosphorylation in vitro. FRMD4A expression levels also correlated with cellular tau secretion assessed by PCA-based assay platform using siRNA-mediated gene silencing. Subsequent mechanistic studies on secretion showed a more general involvement of cell polarity complex signaling including Par3/Par6/aPKCζ complex-induced activation of Arf6 via cytohesins. These novel connections of altered FRMD4A expression level in AD brain and its impact on cellular tau secretion further corroborate the suggested role of FRMD4A in LOAD pathogenesis and pathophysiology. Here, for the first time, we assessed a functional association between LOAD-related susceptibility gene and cell-to- cell propagation of tau, and also showed the decreased expression of FRMD4A related to increasing disease severity according to Braak staging.Erilaisten translaation jälkeisten mekanismien epänormaali säätely indusoi mikrotubulus-assosioituneen tau-proteiinin agregoitumista, joka on tunnusomainen patofysiologinen prosessi esimerkiksi Alzheimerin taudissa (AT) ja frontotemporaalisessa dementiassa, sekä useissa muissa yhteisesti tauopatioiksi kutsutuissa hermostorappeumasairauksissa. Lisääntynyt taun fosforylaatio, jota säätelee vuorovaikutus proteiinikinaasien ja -fosfataasien kanssa, on yksi tärkeimmistä translaation jälkeisistä mekanismeista taun muuttumisessa toksisempaan muotoon soluissa. Erilaisten translaation jälkeisten mekanismien yhteisvaikutuksien yksityiskohtaiset mekanismit taun agregaatioon ja solujen väliseen leviämiseen ovat kuitenkin huonosti tunnettuja. Kehitimme uuden, proteiinfragmentti komplementaatioon pohjautuvan reportteri assay-menetelmän (PKA), jonka avulla tutkimme dynaamisia proteiini-proteiini vuorovaikutuksia solujen luonnollisessa ympäristössä. PKA-menetelmä validoitiin lisäksi tutkiaksemme taun sekreetioa sekä soluunottoa elävissä soluissa. Kehittämämme menetelmän validointiseulonta (lääkeaineseulonta) paljasti useita GABAA -reseptoriaktivaattoreita, jotka muuttivat taun ja Pin1:n välistä vuorovaikutusta. Pin1 proteiini säätelee kriittisesti taun defosforylaatiota katalysoimalla cis/trans peptidyyli-prolyyli sidoksen isomerisaation taun ollessa treoniini231-proliini fosforyloitunut. Validointiseulonnassa identifioitujen GABAA -reseptorimodulaattoreiden havaittiin lisäksi lisäävän taun fosforylaatiota AT8-fosfoepitoopissa rotan aivokuoresta eristetyillä primäärineuroneilla, joka pysyi koholla ainakin 24 tuntia lääkeaineiden poistamisen jälkeen. Mekanistiset jatkotutkimukset viittasivat siihen, että lisääntynyt GABAA -reseptorien indusoima taun fosforylaatio liittyi sekä vähentyneeseen taun ja proteiinifosfataasi 2A:n (PP2A) väliseen vuorovaikutukseen kuitenkaan vaikuttamatta PP2A:n entsymaattiseen aktiivisuuteen, että proteiinikinaasi CDK5:n osallisuuteen prosessissa. Tutkittaessa myöhäisiän AT:n riskigeenien ilmentymistä ohimoaivokuorinäytteistä AT-potilasaineistossa, havaittiin lisääntynyt MS4A6A-geenin ja vähentynyt FRMD4A-geenin ilmentyminen suhteessa taudin etenemiseen liittyvään neurofibrillipatologiaan. In vitro-tutkimuksissa havaittiin lisäksi toiminnallinen yhteys FRMD4A-geenin ilmentymistason ja amyloidogeenisen APP:n prosessoinnin sekä lisääntyneen taun fosforylaation välillä. PKA-menetelmää ja siRNA-välitteistä geenien hiljentämistä käyttämällä havaittiin FRMD4A:n ilmentymistason korreloivan myös taun solusekreetioon. Tarkemmat mekanistiset tutkimukset paljastivat yleisemmän solun polaarisuuskompleksin osallistumisen taun solusekreetioon, johon kuului Par3/Par6/aPKCζ -kompleksin indusoima sytohesiini-välitteinen Arf6:n aktivaatio. Nämä uudet havaitut yhteydet muuttuneen FRMD4A:n ilmentymisen tason niin AT-aivoissa kuin sen vaikutukset taun solusekreetioon vahvistavat FRMD4A:n ehdotettua roolia myöhäisiän AT:n patogeneesissä ja patofysiologiassa. Tässä väitöskirjassa esitellään ensikertaa toiminnallinen yhteys myöhäisiän AT:n riskigeenin ja taun solujenvälisen leviämiseen välillä, sekä näytetään FRMD4A-geenin ilmentymisen vähentyminen suhteessa lisääntyneeseen neurofibrillipatologiaan taudin edetessä.
URI: URN:ISBN:978-951-51-1826-4
http://hdl.handle.net/10138/158995
Date: 2016-01-15
Subject: neurotiede
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
cellular.pdf 4.617Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record