Erzeugung und Analyse eines Mausmodells der variant spätinfantilen neuronalen Ceroid-Lipofuszinose
Final Report Abstract
Die CLN7-Erkrankung ist eine autosomal-rezessiv vererbte, neurodegenerative lysosomale Speichererkrankung des Kindesalters, die klinisch durch Sehverlust, Krampfanfälle und psychomotorische Retardierung charakterisiert ist. Die Mehrzahl der mehr als 35 bekannten Mutationen im CLN7-Gen, das für ein polytopes lysosomales Membranprotein mit unbekannter Funktion kodiert, führt zum variant spät-infantilen Krankheitsverlauf. Es wurden jedoch auch einzelne Patienten mit juvenilem Phänotyp oder adultem Phänotyp mit asymptomatischem Krankheitsverlauf beschrieben. Charakteristische neuropathologische Veränderungen bei CLN7-Patienten sind eine progredient fortschreitende Hirnatrophie des cerebellären und cerebralen Cortex, Neuroinflammation und die Akkumulation von autofluoreszierenden Ceroid-Lipopigmenten. In der abgelaufenen Förderperiode wurden zwei Mausmodelle für die CLN7-Erkrankung generiert und phänotypisch charakterisiert: eine hypomorphe Cln7 lacZ-Reportergenmaus und eine Cln7 knockout (KO) Maus. Expressionsanalysen in Cln7 lacZ-Reportergenmäusen zeigten eine hohe Cln7 mRNA- Expression im cerebralen Cortex, im Hippocampus und in der Niere. Im ZNS der Reportergenmäuse wurden Speicherung von autofluoreszierendem Material, Astrocytose, Mikrogliose, Photorezeptordegeneration, jedoch keine Neurodegeneration detektiert. Die Cln7 KO Mäuse waren lebensfähig und fertil, zeigten jedoch ab einem Alter von 6,5 Monaten eine erhöhte Mortalität und ab einem Alter von 8 Monaten motorische Defizite und Myoclonus Epilepsien. Die Cln7-Defizienz führt im Gehirn, Rückenmark und in der Retina der Cln7 KO Mäuse zur generalisierten Akkumulation von autofluoreszierendem Speichermaterial in Lysosomen, das aus der c-Untereinheit der mitochondrialen ATP-Synthase und Saposin D zusammengesetzt ist und ultrastrukturell hauptsächlich kurvilineare Einlagerungen und vereinzelt fingerprint-Profile enthält. Quantitative Real-Time PCR, immunhistochemische und Immunoblot-Analysen zeigten eine altersabhängig erhöhte Expression verschiedener lysosomaler Cathepsine (CTSD, CTSB, CTSZ) im Gehirn der Cln7 KO Mäuse. Die erhöhte CTSZ-Expression wurde hauptsächlich in Mikroglia und Neuronen, nicht jedoch in Astrozyten, detektiert. Im Endstadium der Erkrankung wurden eine erhöhte Expression des Markerproteins für Autophagosomen, LC3-II, und grosse p62- und poly-Ubiquitin-positive Proteinaggregate in Neuronen gefunden, die auf eine Störung der Makroautophagie im Gehirn zurückzuführen sind. In Magnet-Resonanz-Tomographie- Analysen von Cln7 KO Mäusen wurde Neurodegeneration im cerebellären und cerebralen Cortex im Endstadium der Erkrankung beobachtet. Altersabhängige Untersuchungen der Retina der Cln7 KO Mäuse zeigten eine früh beginnende, rasch fortschreitende Degeneration von Photorezeptoren in der äusseren Körnerschicht, die im Alter von 4 Monaten zum Verlust von 70% der Photorezeptoren führte. Zusammenfassend zeigen die Daten, dass die CLN7-Defizienz bei Mäusen zu lysosomaler Dysfunktion, Neuroinflammation und Degeneration von retinalen Photorezeptoren früh in der Erkrankung und zu gestörter Makroautophagie und Neurodegeneration im Gehirn am Ende der Erkrankung führt. Die altersabhängigen Veränderungen im Gehirn und in der Retina der Cln7 KO Mäuse waren vergleichbar mit der Neuropathologie von CLN7-Patienten, so dass die Mäuse ein geeignetes Tiermodell zur Untersuchung der Pathomechanismen der CLN7-Erkrankung mit variant spät-infantilem Phänotyp darstellen. Für weiterführende Untersuchungen ist die Retina der Cln7 KO Mäuse aufgrund der früh einsetzenden, progressiv fortschreitenden und gut analysierbaren Neurodegeneration als Modell zur Testung der Effizienz potentieller Therapien, wie z. B. Gentherapie oder Therapie mit niedermolekularen synthetischen Molekülen, besonders geeignet.
Publications
- (2014) Gene disruption of Mfsd8 in mice provides the first animal model for CLN7 disease. Neurobiol. Dis., 65: 12-24
Damme, M., Brandenstein, L., Fehr, S., Jankowiak, W., Bartsch, U., Schweizer, M., Hermans-Borgmeyer, I., Storch, S.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.nbd.2014.01.003) - (2015) Analysen des Adaptorprotein-abhängigen Transports des lysosomalen Membranproteins CLN7 und von Mausmodellen (Mus musculus) der CLN7-Erkrankung, Universität Hamburg, Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften, Fachbereich Biologie
Laura Brandenstein
- (2015) Generierung und Analyse eines zellbasierten Modells für die CLN7-Erkrankung, Universität Hamburg, Fachbereich Medizin
Jana Galal
- (2016) Lysosomal dysfunction and impaired autophagy in a novel mouse model deficient for the lysosomal membrane protein Cln7. Hum. Mol. Genet., 25: 777-791
Brandenstein, L., Schweizer, M., Sedlacik, J., Fiehler, J., Storch, S.
(See online at https://doi.org/10.1093/hmg/ddv615)
