Early neuropathological changes in the mouse model for progressive myoclonus epilepsy of Unverricht-Lundborg type, EPM1.

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-9405-7
Title: Early neuropathological changes in the mouse model for progressive myoclonus epilepsy of Unverricht-Lundborg type, EPM1.
Author: Tegelberg, Saara
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, genetiikan osasto
Folkhälsan Institute of Genetics
Neuroscience Center and Department of Medical genetics, University of Helsinki,
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Progressive myoclonus epilepsy of Unverricht-Lundborg type (EPM1) is an autosomal recessively inherited neurodegenerative disorder caused by mutations in the cystatin B (CSTB) gene. Although the gene behind the disease has long been known, the exact physiological function of CSTB and the molecular pathogenesis in EPM are largely unknown. In my thesis, I have characterized the developmental and degenerative processes in the brains of young, pre-symptomatic and fully symptomatic Cstb-deficient mice. This mouse is an excellent model for EPM1, as its phenotype closely resembles the human disease. To study the spatiotemporal disease progression, we conducted systematic analyses of changes in neurons and glia in Cstb-deficient brains. We saw significant microgliosis already in two-week-old Cstb-deficient animals, before the appearance of myoclonus at 1 month of age. Early microgliosis was followed by astroglial activation along with progressive neuron loss and brain atrophy. The phenotype of activated microglial cells changed during disease progression. To characterize molecular alterations in Cstb-deficient mouse brains, we performed a gene expression profiling. As the cerebellum shows the earliest and most prominent pathological changes, we focused the gene expression analyses on cerebellum of young Cstb-deficient animals. The results implied disturbances in pathways related to synaptic development, structure and function. Immunohisto¬chemical, electrophysiological and ligand binding studies suggested the involvement of especially GABAergic synapses. Data also showed alterations in genes related to the cytoskeleton and intracellular transport, along with pathways implying activation of immune defence. To shed light on the neuron death seen in the brain of Cstb-deficient mouse, we studied the effect of oxidative stress on Cstb-deficient neurons. As CSTB is an inhibitor of cysteine cathepsins and thus is proposed to protect cells from adverse cathepsin functions, we studied also the role of cathepsins in oxidative stress. The results show that oxidative insult increases the expression of both CSTB and cathepsin B. Cstb-deficient cells are sensitized to oxidative stress-induced damage and cell death, which is at least partially mediated through increased cathepsin B activity. These findings in Cstb-deficient mouse suggest that CSTB has an important role in protecting normal cellular integrity and functions along with affecting the development and function of synaptic connections. Our results also imply that microglia have a central role in nervous system damage already before the appearance of symptoms of EPM1. The results of my thesis study have guided the research of our group into new fields by revealing the importance of microglia in the early stages of EPM1. This study also shows that CSTB-deficiency leads not only to neurodegeneration per se, but also results in developmental defects whose consequences manifest later in EPM1 disease progression.Etenevä myoklonusepilepsia (Unverricht-Lundborgin tauti, EPM1) on 6-16 vuoden iässä ilmenevä, autosomaalisesti, peittyvästi periytyvä hermorappeumasairaus, joka aiheutuu kystatiini B (CSTB) -geenin mutaatioista. Vaikka EPM1-taudin taustalla oleva geeni on tunnettu jo vuosia, tautiin johtavat molekyylitason tapahtumat ovat edelleen pitkälti selvittämättä. EPM1-tautia on perinteisesti pidetty hermorappeumasairautena, ja aivoissa ennen oireiden ilmenemistä tapahtuvia muutoksia ei juuri tunneta. Väitöskirjassani olen tutkinut kehityksellisiä ja patologisia muutoksia nuorten, Cstb-puutteisten hiirten aivoissa, ensimmäisestä elinviikosta oireiden ilmenemiseen saakka. Tämä hiirimalli muistuttaa ilmiasultaan EPM1-potilaita, ja aiemmat tutkimukset ovat keskittyneet täysikasvuisiin hiiriin, joilla sairauden oireet ovat jo ilmenneet. Tutkimuksessani analysoin systemaattisesti hermo- ja gliasolujen muutoksia Cstb-puutteisten hiirten aivoissa sairauden edetessä; ja havaitsimme voimakasta mikrogliasolujen aktivaatiota jo kahden viikon ikäisillä Cstb-puutteisilla hiirillä, ennen kuukauden iässä alkavia patologisia oireita. Tätä seuraa astrogliasolujen aktivaatio sekä etenevä hermosolukato. Patologiset muutokset Cstb-puutteisilla eläimillä ovat kaikkein merkittävimpiä pikkuaivojen alueella, ja tästä syystä tutkimme geenien ilmenemisen muutoksia nuorten Cstb-puutteisten hiirten pikkuaivoissa. Tuloksemme osoittivat useita muutoksia synapsien kehitykseen, rakenteeseen ja toimintaan liittyvissä geeneissä. Varsinkin GABA-välitteisten synapsien toiminta näyttää muuttuneen Cstb-puutteisilla hiirillä. Lisäksi havaitsimme muutoksia solujen tukirankaan, solunsisäiseen kuljetukseen sekä immuuni¬puolustukseen liittyvissä geeneissä. Normaaleissa soluissa CSTB estää lysosomaalisten katepsiinien toimintaa ja näin suojaa solua katepsiinien haitallisilta vaikutuksilta. Tuloksemme osoittivat, että sekä CSTB:n että katepsiini B:n tuotto kohoaa oksidatiivisen stressin seurauksena. Cstb-puutteisissa hermosoluissa oksidatiivinen stressi johtaa oksidatiivisiin vaurioihin ja solukuolemaan mm. kohonneen katepsiini B -aktiivisuuden vuoksi. Katepsiini B:n tiedetään toimivan monissa solukuolemaan johtavissa signalointireiteissä ja sen aktiivisuuden on aiemmin todettu kohonneen EPM1-potilailla. Löydöksemme hiirellä viittaavat siihen, että CSTB-proteiinilla on tärkeä merkitys hermosolujen normaalin rakenteen ja toiminnan säätelyssä sekä synapsien muodostuksessa ja toiminnassa. Tuloksemme osoittavat lisäksi mikrogliasoluilla olevan merkittävä rooli hermoston vaurioiden synnyssä jo ennen EPM1-taudin oireiden ilmenemistä. Väitöskirjatyöni on ohjannut ryhmämme tutkimusta uudelle alueelle paljastamalla mikrogliasolujen tärkeän merkityksen sairauden kehityksen alkuvaiheissa. Työni osoittaa myös, että CSTB:n puute johtaa itse hermoston rappeutumisen lisäksi muutoksiin hermosolujen kehityksessä. Nämä aikaiset muutokset voivat myöhemmin olla osallisina EPM1-sairauden synnyssä.
URI: URN:ISBN:978-952-10-9405-7
http://hdl.handle.net/10138/41675
Date: 2013-11-15
Subject: neurobiologia, genetiikka
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
Tegelberg_dissertation.pdf 5.569Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record