The role and therapeutic effect of CDNF in animal models of neurodegenerative diseases

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6685-2
Title: The role and therapeutic effect of CDNF in animal models of neurodegenerative diseases
Author: De Lorenzo, Francesca
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy, Division of Pharmacology and Pharmacotherapy
Doctoral Programme in Drug Research
Institute of Biotechnology (HiLIFE)
Date: 2020-11-06
Language: en
Belongs to series: Dissertationes scholae doctoralis ad sanitatem investigandam universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-3161
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6685-2
http://hdl.handle.net/10138/320465
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Neurodegenerative diseases are characterized by the dysfunction and death of specific neuronal populations. Parkinson’s disease (PD) is caused by the progressive loss of dopamine neurons in the substantia nigra, whereas motor neurons (MNs) in the motor cortex, brain stem, and spinal cord degenerate and die in amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Accumulation of misfolded proteins and endoplasmic reticulum (ER) stress are some common hallmarks in the pathophysiology of neurodegenerative diseases. ER stress triggers the unfolded protein response (UPR), a physiological response that aims at restoring the ER homeostasis by degrading misfolded proteins, attenuating protein translation, and increasing the expression of ER chaperones important for protein folding. Initially the UPR is protective, but, upon prolonged ER stress, the UPR switches from an adaptive to a pro-apoptotic response. Cerebral dopamine neurotrophic factor (CDNF) is an ER resident protein with neurotrophic properties that is protective and restorative in preclinical models of PD. The mechanism underlying CDNF’s action is still unclear, but experimental data suggest a possible involvement of CDNF in the ER homeostasis. The aim of this thesis work was to study the therapeutic potential of CDNF in PD and ALS rodent models and investigate CDNF mode of action, with a special focus on the ER stress response. Herein, we report that co-administration of CDNF and glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) showed an additive neurorestorative effect in the unilateral 6-hydroxydopamine rat model of PD, suggesting a different mechanism of action for these two proteins. We found that GDNF activated the pro-survival MAPK/ERK and PI3K/AKT pathways in the striatal dopamine neurons within 1 hour from protein administration. In contrast, CDNF activated only the PI3K/AKT pathway and at 4 hours upon treatment. Furthermore, CDNF, but not GDNF, reduced the expression of UPR markers ATF6, p-eIF2α, and GRP78. Therefore, the ability of CDNF to regulate ER stress was thoroughly investigated in three rodent models of ALS with different genetic etiology and disease progression. We showed that CDNF decreased the ER stress response specifically in MNs, by attenuating all three branches of the UPR, initiated by transducers inositol-requiring enzyme 1 (IRE1), protein kinase R (PKR)-like ER kinase (PERK), and activating transcription factor 6 (ATF6). CDNF treatment was effective in all three models, indicating that CDNF’s therapeutic effect was independent of disease etiology. CDNF rescued MNs from ER-stressed induce cell death, halting the progression of the disease and ameliorating the motor deficit in the SOD1-G93A mouse model and in the TDP43-M337V rat model. Finally, we identified that depleting endogenous CDNF from the SOD1-G93A model worsened the motor symptoms in the mice, but did not affect their lifespan. The ER stress response in the Cdnf -/- SOD1-G93A mice was especially exacerbated in the skeletal muscle, where CDNF is normally highly expressed, and an overexpression of homologous protein mesencephalic astrocyte-derived neurotrophic factor (MANF) was detected in the same tissue. We observed a reduction in the number of lumbar MNs in Cdnf -/- SOD1-G93A compared to classical SOD1-G93A mice, which would explain the aggravated motor impairment. At this point, however, we could not determine whether the increase in MNs loss was caused by CDNF depletion in MNs, or rather a consequence of CDNF-deficiency in the degenerating muscle cells, targets of MNs. It was previously reported that, in mice, endogenous CDNF is important for the development and maintenance of enteric submucosal neurons, as well as for the regulation of gastrointestinal transit. Remarkably, we found that Cdnf -/- mice had less lumbar MNs at 4 months, compared to WT littermates, although this decrease did not result in any motor deficit. These findings suggest that CDNF may also have a role in the development and/or survival of MNs. Altogether, these studies indicate that ER stress is an important therapeutic target for neurodegenerative diseases, such as PD and ALS, and that CDNF is a promising drug candidate, due to its ability to attenuate all three pathways of UPR.Hermorappeumasairauksissa tietty hermosolupopulaatio tuhoutuu vähitellen. Parkinsonin taudissa (PT) dopamiinihermosolut kuolevat asteittain substantia nigrassa, kun taas amyotrofisessa lateraaliskleroosissa (ALS) liikehermosolut kuolevat aivojen motorisessa kuorikerroksessa, aivorungossa ja selkäytimessä. Laskostumattomien tai väärinlaskostuneiden proteiinien kertyminen solulimakalvostoon (ER, endoplasmic reticulum) ja ER stressi ovat hermorappeumatautien tavallisimpia löydöksiä. Laskostumattomat proteiinit käynnistävät solussa laskostumattomien proteiinien vasteen (UPR, Unfolded protein response). UPR pyrkii vähentämään solun proteiinikuormaa hajottamalla väärinlaskostuneita proteiineja, vähentämällä proteiinien translaatiota ja lisäämällä proteiinien laskostumista avustavien ER saperonien ilmentymistä. Aluksi laskostumattomien proteiinien vasteella on suojaavia vaikutuksia, mutta ER stressin pitkittyessä UPR käynnistää ohjelmoidun solukuoleman. Aivoperäinen dopamiinihermokasvutekijä (CDNF, Cerebral dopamine neurotrophic factor) on ER:ssä sijaitseva proteiini, jolla on hermokasvutekijöiden ominaisuuksia. CDNF suojaa ja korjaa dopamiinihermosoluja PT:n prekliinisissä eläinmalleissa. CDNF:n vaikutusmekanismi on vielä epäselvä, mutta CDNF:llä tiedetään olevan rooli ER:n homeostaasin säätelyssä Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli tutkia CDNF:n terapeuttista vaikutusta PT:n ja ALS:in eläinmalleissa ja selvittää CDNF vaikutusmekanismia keskittyen ER stressiin. Havaitsimme, että CDNF:n ja gliasolulinjaperäisen hermokasvutekijän (GDNF:n) yhteisannolla on additiivisia neurorestoratiivisia vaikutuksia PT:n 6-OHDA mallissa rotilla, osoittaen että CDNF:llä ja GDNF:llä on eri vaikutusmekanismit. Havaitsimme myös, että GDNF aktivoi solujen selviämistä edistäviä MAPK/ERK ja PI3/AKT signaalireittejä striatumissa tunti annostelun jälkeen, kun CDNF aktivoi ainoastaan PI3K/AKT signaalireitin vasta 4 tuntia annostelun jälkeen. Lisäksi havaitsimme että CDNF, toisinkuin GDNF, vähensi UPR markkereiden (ATF6, p-elF2alfa ja GRP78:n) määrää. Näin ollen tutkimme seuraavaksi, sääteleekö CDNF ER stressiä ALS:in kolmessa geneettisessä eläinmallissa. Osoitimme, että CDNF vähensi ER stressiä erityisestä liikehermosoluissa vaikuttaen kaikkiin kolmeen, joko IRE1, PERK tai ATF6 proteiinin kautta aktivoitavaan, UPR:n signalointireittiin. CDNF käsittely oli tehokas kaikissa kolmessa ALS:n geneettisessä eläinmallissa, osoittaen että CDNF:n terapeuttinen vaikutus oli riippumatonta tautietiologiasta. CDNF suojasi ja korjasi liikehermosoluja ER stressillä aiheutetulta solutuholta, hidastaen taudin etenemistä ja parantaen motorista koordinaatiota SOD1-G93A hiiri ja TDP43-M337V rottamalleissa. Lopuksi selvitimme miten endogeenisen CDNF:n puute vaikuttaa SOD1-G93A hiirten elinikään, oireiden kehittymiseen, motoriseen suoriutumiskykyyn ja ER stressiin. CDNF:n puutteen havaittiin huonontavan hiirten motorista koordinaatiota mutta tilastollisesti merkitsevää vaikutusta elinikään ei havaittu. ER stressin määrä lisääntyi CDNF -/- SOD1-G93A hiirten lihaksissa, jossa CDNF:ää ilmenee normaalisti paljon. CDNF:n sukulaisproteiinin, mesenkefaalisen astrosyyttisoluperäisen kasvutekijän (MANF, Mesencephalic astrocyte-derived neurotrophic factor) määrän havaittiin lisääntyneen samassa kudoksessa. Havaitsimme myös liikehermosolujen vähentymisen CDNF -/- SOD1-G93A hiirten selkäytimissä, verrattuna tavallisiin SOD1-G93A hiiriin, mikä selittää motorisen koordinaation heikkenemisen Aiemmin on osoitettu, että endogeeninen CDNF on tärkeä enteeristen submukosaalisten hermosolujen kehittymiselle ja ylläpidolle, kuten myös ruoansulatuskanavan nopeuden säätelylle hiirillä. Havaitsimme, että neljän kuukauden ikäisillä CDNF-/- hiirillä oli vähemmän liikehermosoluja villityypin hiiriin verrattuna, mutta tämä ei johtanut motorisen koordinaation heikkenemiseen. Nämä tulokset osoittavat, että CDNF:llä voi olla tärkeä rooli myös liikehermosolujen kehityksessä ja/tai selviytymisessä. Kaiken kaikkiaan nämä tutkimukset osoittavat, että ER stressi on tärkeä terapeuttinen kohde hermorappeumasairauksissa, kuten PT:ssa ja ALS:issa, ja että CDNF on lupaava lääkekandidaatti näiden sairauksien hoitoon ER stressisäätelyominaisuuksiensa ansiosta.
Subject: 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

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record