Endogenous GDNF as a regulator of midbrain dopamine neurons

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2356-5
Title: Endogenous GDNF as a regulator of midbrain dopamine neurons
Author: Kopra, Jaakko
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy, Division of Pharmacology and pharmacotherapy
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2016-08-12
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2356-5
http://hdl.handle.net/10138/164788
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Midbrain dopamine neurons exert a powerful influence on behavior and their dysfunction is associated with many neurological and neuropsychiatric diseases, including Parkinson s disease (PD). Dopamine neurons are large, complex and sensitive cells. Hence, their survival and correct function requires coordinated action of various transcription and regulatory factors both during development and aging. Potentially, one such factor is glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF). Ectopically applied GDNF is best known for its potent ability to protect and restore damaged dopaminergic neurons both in vitro and in vivo. GDNF-based therapies have been tested in clinical trials with PD patients with variable success. However, the function of endogenous GDNF in brain dopamine system development, aging and disease is poorly understood. Improvement in GDNF-based therapies requires better understanding of the physiological functions of GDNF in the brain. The current knowledge of endogenous GDNF function remains obscure, mainly due to the lack of proper animal models. The present study investigated the regulatory role of endogenous GDNF in the development, maintenance and function of midbrain dopamine neurons utilizing novel mouse models: GDNF conditional knock-out (cKO) mice and GDNF hypermorphic (GDNFh) mice over-expressing GDNF from the endogenous locus. GDNF cKO mice enable GDNF deletion solely from the central nervous system during embryonic development or later in adulthood, preserving its vital role in kidney development. Midbrain dopamine systems of these new mouse strains were studied with immunohistochemical, neurochemical, pharmacological, behavioral and molecular biology methods. We found more substantia nigra dopaminergic cells and elevated striatal dopamine levels in immature and adult GDNFh mice. In cKO mice, dopamine levels and cell numbers were unaltered, even upon aging, and regardless of the timing of GDNF deletion. Both mouse strains exhibited enhanced dopamine uptake, while responses to amphetamine were augmented in GDNFh mice and reduced in cKO mice. GDNFh mice also released more dopamine and GDNF elevation protected them in a lactacystin-based model of PD. Overall, dopamine neurons were more sensitive to moderate elevation than complete absence of endogenous GDNF, which suggests that they can adaptively compensate for GDNF loss. This highlights the limitation of broadly utilized gene deletion approaches in analyzing gene function. Our results indicate a clear role for endogenous GDNF in midbrain dopamine neuron development and function, but also demonstrate that GDNF is not required for their maintenance during aging. Furthermore, the ability of endogenous GDNF to protect animals in a PD model without the side effects associated with ectopic GDNF application suggests that elevation in endogenous GDNF levels may be an important future route for PD therapy.Aivojen dopamiinihermosoluilla on voimakas vaikutus käyttäytymiseemme ja niiden toimintahäiriö onkin liitetty moniin neurologisiin ja psykiatrisiin sairauksiin, kuten Parkinsonin tautiin. Dopamiinineuronit ovat suuria, monimutkaisia ja herkkiä soluja. Tämän vuoksi niiden selviytyminen ja oikeanlainen toiminta niin yksilönkehityksen kuin koko elinkaaren ajan on riippuvaista useiden erilaisten säätelytekijöiden oikeanlaisesta yhteistoiminnasta. Mahdollisesti eräs tällainen säätelytekijä on gliasolulinjaperäinen hermokasvutekijä eli GDNF. GDNF:llä on osoitettu olevan hyvin poikkeuksellinen kyky suojella ja korjata vaurioituneita dopamiinihermosoluja sekä solu- että eläinmalleissa. GDNF-peräisiä lääkehoitoja onkin tutkittu kliinisissä kokeissa Parkinsonintautipotilailla, vaihtelevin tuloksin. Tästä huolimatta endogeenisen, eli aivojemme itse valmistaman, GDNF:n toiminta yksilönkehityksen, vanhenemisen ja sairauksien yhteydessä tunnetaan yhä huonosti. Tehokkaampien GDNF-pohjaisten hoitojen kehittäminen edellyttää parempaa ymmärrystä GDNF:n fysiologisista toiminnoista aivoissa. Endogeenisen GDNF:n toimintojen heikko tuntemus johtuu ensisijaisesti kunnollisten eläinmallien puuttumisesta. Tässä työssä tutkimme endogeenisen GDNF:n roolia keskiaivojen dopamiinihermosolujen kehityksessä, ylläpidossa ja toiminnassa käyttäen uusia eläinmalleja: konditionaalisesti poistogeenisiä (conditional knock-out; cKO) GDNF hiiriä sekä GDNF hypermorfisia (GDNFh) hiiriä, jotka tuottavat normaalia enemmän endogeenistä GDNF:ää. cKO hiiriltä GDNF voidaan sikiövaiheessa poistaa täysin ainoastaan keskushermostosta tai vaihtoehtoisesti vasta myöhemmin aikuisilta eläimiltä. Näin säilytetään GDNF:n elintärkeä rooli munuaisten kehityksessä. Tutkimme näiden uusien hiirikantojen keskiaivojen dopamiinijärjestelmiä immunohistokemiallisten, aivokemiallisten, farmakologisten, molekyylibiologisten sekä erilaisten käyttäytymismenetelmien avulla. Havaitsimme sekä hyvin nuorten että aikuisten GDNFh hiirten aivoissa kohonneen määrän dopamiinia sekä dopamiinihermosoluja. Toisaalta GDNF cKO hiirillä dopamiinipitoisuudet ja -solumäärät säilyivät muuttumattomia, jopa hyvin vanhoilla hiirillä, ja riippumatta GDNF:n poistamisen ajankohdasta. Molemmilla hiirikannoilla dopamiinin takaisinotto oli voimistunut, kun taas amfetamiinivasteet olivat vahvistuneet GDNFh hiirillä ja heikentyneet GDNF cKO hiirillä. GDNFh hiirillä dopamiinia myös vapautui enemmän, minkä lisäksi kohonnet GDNF-pitoisuudet suojasivat niitä kemiallisesti aiheutetulta Parkinsonismilta. Kaiken kaikkiaan aivojen dopamiinihermosolut näyttivät olevan herkempiä GDNF:n määrän kohtuulliselle lisääntymiselle kuin sen täydelliselle puuttumiselle. Dopamiinihermosolut kykenevät siis ilmeisesti jollain tavalla kompensoimaan GDNF:n puuttumisen. Tämä osoittaa selvän puutteen hyvin yleisesti käytetyissä geeninpoistomenetelmissä. Tuloksemme viittaavat siihen että endogeenisella GDNF:llä on selvä rooli aivojen dopamiinihermosolujen kehityksessä ja toiminnassa. Toisaalta tuloksemme myös osoittavat, ettei GDNF:ää välttämättä tarvita ylläpitämään niitä yksilön vanhetessa. Lisäksi endogeenisen GDNF:n kyky suojella eläimiä Parkinsonin tautimallissa ilman GDNF-annosteluun tavallisesti liittyviä sivuvaikutuksia merkitsee, että endogeenisen GDNF:n lisääminen saattaisi joskus tulevaisuudessa olla tehokas tapa hoitaa Parkinsonin tautia.
Subject: farmakologia
Pharmacology
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
Kopra_e-thesis.pdf 1.218Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record