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Die Bedeutung der NMDA-Rezeptoruntereinheit NR2B in der Vermittlung synaptotoxischer Effekte verschiedener Amyloid β-Arten
Die Bedeutung der NMDA-Rezeptoruntereinheit NR2B in der Vermittlung synaptotoxischer Effekte verschiedener Amyloid β-Arten
Die Alzheimer Krankheit (AD) ist mit knapp 80 % die häufigste Form der Demenz in der heutigen Zeit und ist nicht nur auf den Menschen beschränkt. Ähnliche pathologische Merkmale wie bei der AD des Menschen können sich auch bei Hunden und Schimpansen entwickeln. Die Ursachen der AD sind noch weitgehend ungeklärt, Forscher vermuten jedoch, dass akkumuliertes Amyloid β (Aβ), welches postmortem in Gehirnen von AD Patienten nachweisbar ist, verantwortlich ist. Allerdings deutet vieles daraufhin, dass lösliche Aβ-Oligomere die eigentlich toxischen Pathogene sind, die zum Verlust der synaptischen Funktion und letztlich zum Tod der Nervenzellen führen. N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptoren spielen eine wichtige Rolle bei Lern- und Gedächtnisvorgängen, aber auch bei neurodegenerativen Prozessen. Besonders involviert ist hier die NMDA-Rezeptoruntereinheit NR2B, deren exzessive Aktivierung zum Zelltod führen kann. In dieser Studie wurde untersucht, ob eine pharmakologische oder gentechnisch-induzierte Reduzierung der NR2B-Aktivität die Aβ-Oligomer-induzierte toxische Wirkung auf Autophagie, einem intrazellulärer Degradationsprozess, und Anzahl dendritischer Dornfortsätze (spine density) reversieren kann. Untersucht wurden transgene AD Mausmodelle mit entweder einem heterozygoten NR2B knockout (NR2Bhet) oder einer Arctic und Swedish Mutation im Amyloid-Vorläuferprotein (Arc) oder einer Kreuzung beider Mutanten (NR2Bhet/Arc). In den Arc und NR2Bhet/Arc Mäusen konnte eindeutig eine Erhöhung von monomeren Aβ1-42 und Amyloid-Plaques nachgewiesen werden. Dies zeigt, dass eine Reduzierung der NR2B Aktivität keinen Einfluss auf die Aβ-Produktion oder Plaquebildung hat. Die Autophagieprozesse waren zwar nicht signifikant unterschiedlich; bei der Expression der Autophagiemarker pUlk/Ulk, Klasse III-PI3K, Atg5 gebundenes Atg12, LC3B-II/LC3B-I und LC3B-II waren aber in der Arc-Gruppe Auffälligkeiten erkennbar, was darauf hindeuten könnte, dass die Autophagieaktivität in der AD verändert ist und durch eine heterozygote Expression der NR2B-Untereinheit wieder hergestellt werden kann. Gründe für das Fehlen einer Signifikanz könnten die niedrige Stichprobenzahl oder die relativ weite Streubreite des Alters sein. Des Weiteren wurden murine hippokampale Hirnschnitte mit Aβ1-40, Aβ1-42, 3NTyr10Aβ oder AβpE3-42, inkubiert und untersucht, ob Radiprodil, ein spezifischer NR2B-Antagonist, die synaptotoxische Wirkung der verschiedenen A-Arten reversieren kann. Die Analyse der Autophagiemarker ergab allerdings keine signifikanten Unterschiede für alle A-Arten. Interessanterweise reduzierten Aβ1-40, Aβ1-42, 3NTyr10Aβ oder AβpE3-42 die spine densitiy in den Dendriten signifikant. Eine vorangehende Inkubation mit Radiprodil, konnte diese degenerativen Prozesse reversieren. Lediglich bei AβpE3-42 zeigte Radiprodil keinen Effekt. Dies deutet zumindest für AβpE3-42 auf einen zu NR2B unterschiedlichen Wirkort verantwortlich für die neurotoxische Wirkung hin. Insgesamt unterstreichen die hier vorgestellten Ergebnisse, dass NR2B eine bedeutende Rolle in der A-vermittelten Pathophysiologie der AD spielt und die Verminderung der NR2B-Aktivität eine neuroprotektiv Wirkung vermittelt. Gleichzeitig wird die Bedeutung des NR2B als möglicher pharmakologischer Wirkort für die Behandlung der AD hervorgehoben., Alzheimer´s disease (AD) is with almost 80 % today´s most common form of dementia and is not only seen in humans. Similar pathological hallmarks as in the AD of humans can also be seen in dogs and monkeys. Although the pathophysiological mechanisms of AD are not yet fully clarified, scientists indicate that accumulated β-amyloid (Aβ), which is found postmortem in brains of AD patients, plays an important role in the aetiology of the disease. More recent evidence indicates that the soluble Aβ oligomers are the more toxic pathogens, which lead to a loss of synaptic function and ultimately to the death of neural cells. N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors are known to play a crucial role in learning and memory, and also in neurodegenerative processes. The most important subunit is the extracellular expressed NMDA-subunit NR2B, which excessive activation can lead to cell death. In this study we assessed, whether a reduction of the NR2B activity through pharmacological or genetic modification, can reverse the Aβ oligomer induced toxic effect on autophagy, an intracellular degradation process, and spine density. Transgenic mouse modells with a heterozygous NR2B knockout (NR2Bhet), an arctic or swedish mutation in the amyloid precursor protein (Arc) or a crossbred between both mutations (NR2Bhet/Arc) were analysed for this study. In the Arc and NR2Bhet/Arc mice we could find a clear increase of monomeric Aβ1-42 and amyloid plaques. This result demonstrates that a reduction of the NR2B activity does not have any influence on Aβ production or plaque load. The autophagy processes did not show any significance; but the expression of the autophagy markers pUlk/Ulk, class III-PI3K, Atg12-Atg5 conjugate, LC3B-II/LC3B-I and LC3B-II showed a conspicuity in the Arc group. This could indicate, that the autophagy activity is altered in AD and that it can be reestablished through a heterozygous expression of the NR2B subunit. Reasons for the lack of significance could be the low amount of samples or that the age range of the mice was too high. Furthermore murine hippocampal brain slices were incubated with Aβ1-40, Aβ1-42, 3NTyr10Aβ or AβpE3-42 and it was analysed, if Radiprodil, a specific NR2B antagonist, can reverse the synaptotoxic effects of the different Aβ species. However, the evaluation of the autophagy marker did not show significant differences for all A species. Interestingly, Aβ1-40, Aβ1-42, 3NTyr10Aβ or AβpE3-42 did reduce the spine density in the dendrites significantly. A preincubation with Radiprodil could reverse this degenerative process. Radiprodil did not show an effect in the experiment whenAβpE3-42 was used. This points out that at least for AβpE3-42 there is another site of action responsible for the neurotoxic effect, rather than the NR2B subunit. In summary, the presented results underline, that NR2B plays an important role in the Aβ induced pathophysiology of AD and that a decrease of the NR2B activity can convey a neuroprotective effect. At the same time the importance of the NR2B subunit as a possible pharmacological site of action for the treatment of AD is confirmed.
Not available
Seeser, Franziska Katharina
2018
Deutsch
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Seeser, Franziska Katharina (2018): Die Bedeutung der NMDA-Rezeptoruntereinheit NR2B in der Vermittlung synaptotoxischer Effekte verschiedener Amyloid β-Arten. Dissertation, LMU München: Tierärztliche Fakultät
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Abstract

Die Alzheimer Krankheit (AD) ist mit knapp 80 % die häufigste Form der Demenz in der heutigen Zeit und ist nicht nur auf den Menschen beschränkt. Ähnliche pathologische Merkmale wie bei der AD des Menschen können sich auch bei Hunden und Schimpansen entwickeln. Die Ursachen der AD sind noch weitgehend ungeklärt, Forscher vermuten jedoch, dass akkumuliertes Amyloid β (Aβ), welches postmortem in Gehirnen von AD Patienten nachweisbar ist, verantwortlich ist. Allerdings deutet vieles daraufhin, dass lösliche Aβ-Oligomere die eigentlich toxischen Pathogene sind, die zum Verlust der synaptischen Funktion und letztlich zum Tod der Nervenzellen führen. N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptoren spielen eine wichtige Rolle bei Lern- und Gedächtnisvorgängen, aber auch bei neurodegenerativen Prozessen. Besonders involviert ist hier die NMDA-Rezeptoruntereinheit NR2B, deren exzessive Aktivierung zum Zelltod führen kann. In dieser Studie wurde untersucht, ob eine pharmakologische oder gentechnisch-induzierte Reduzierung der NR2B-Aktivität die Aβ-Oligomer-induzierte toxische Wirkung auf Autophagie, einem intrazellulärer Degradationsprozess, und Anzahl dendritischer Dornfortsätze (spine density) reversieren kann. Untersucht wurden transgene AD Mausmodelle mit entweder einem heterozygoten NR2B knockout (NR2Bhet) oder einer Arctic und Swedish Mutation im Amyloid-Vorläuferprotein (Arc) oder einer Kreuzung beider Mutanten (NR2Bhet/Arc). In den Arc und NR2Bhet/Arc Mäusen konnte eindeutig eine Erhöhung von monomeren Aβ1-42 und Amyloid-Plaques nachgewiesen werden. Dies zeigt, dass eine Reduzierung der NR2B Aktivität keinen Einfluss auf die Aβ-Produktion oder Plaquebildung hat. Die Autophagieprozesse waren zwar nicht signifikant unterschiedlich; bei der Expression der Autophagiemarker pUlk/Ulk, Klasse III-PI3K, Atg5 gebundenes Atg12, LC3B-II/LC3B-I und LC3B-II waren aber in der Arc-Gruppe Auffälligkeiten erkennbar, was darauf hindeuten könnte, dass die Autophagieaktivität in der AD verändert ist und durch eine heterozygote Expression der NR2B-Untereinheit wieder hergestellt werden kann. Gründe für das Fehlen einer Signifikanz könnten die niedrige Stichprobenzahl oder die relativ weite Streubreite des Alters sein. Des Weiteren wurden murine hippokampale Hirnschnitte mit Aβ1-40, Aβ1-42, 3NTyr10Aβ oder AβpE3-42, inkubiert und untersucht, ob Radiprodil, ein spezifischer NR2B-Antagonist, die synaptotoxische Wirkung der verschiedenen A-Arten reversieren kann. Die Analyse der Autophagiemarker ergab allerdings keine signifikanten Unterschiede für alle A-Arten. Interessanterweise reduzierten Aβ1-40, Aβ1-42, 3NTyr10Aβ oder AβpE3-42 die spine densitiy in den Dendriten signifikant. Eine vorangehende Inkubation mit Radiprodil, konnte diese degenerativen Prozesse reversieren. Lediglich bei AβpE3-42 zeigte Radiprodil keinen Effekt. Dies deutet zumindest für AβpE3-42 auf einen zu NR2B unterschiedlichen Wirkort verantwortlich für die neurotoxische Wirkung hin. Insgesamt unterstreichen die hier vorgestellten Ergebnisse, dass NR2B eine bedeutende Rolle in der A-vermittelten Pathophysiologie der AD spielt und die Verminderung der NR2B-Aktivität eine neuroprotektiv Wirkung vermittelt. Gleichzeitig wird die Bedeutung des NR2B als möglicher pharmakologischer Wirkort für die Behandlung der AD hervorgehoben.

Abstract

Alzheimer´s disease (AD) is with almost 80 % today´s most common form of dementia and is not only seen in humans. Similar pathological hallmarks as in the AD of humans can also be seen in dogs and monkeys. Although the pathophysiological mechanisms of AD are not yet fully clarified, scientists indicate that accumulated β-amyloid (Aβ), which is found postmortem in brains of AD patients, plays an important role in the aetiology of the disease. More recent evidence indicates that the soluble Aβ oligomers are the more toxic pathogens, which lead to a loss of synaptic function and ultimately to the death of neural cells. N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors are known to play a crucial role in learning and memory, and also in neurodegenerative processes. The most important subunit is the extracellular expressed NMDA-subunit NR2B, which excessive activation can lead to cell death. In this study we assessed, whether a reduction of the NR2B activity through pharmacological or genetic modification, can reverse the Aβ oligomer induced toxic effect on autophagy, an intracellular degradation process, and spine density. Transgenic mouse modells with a heterozygous NR2B knockout (NR2Bhet), an arctic or swedish mutation in the amyloid precursor protein (Arc) or a crossbred between both mutations (NR2Bhet/Arc) were analysed for this study. In the Arc and NR2Bhet/Arc mice we could find a clear increase of monomeric Aβ1-42 and amyloid plaques. This result demonstrates that a reduction of the NR2B activity does not have any influence on Aβ production or plaque load. The autophagy processes did not show any significance; but the expression of the autophagy markers pUlk/Ulk, class III-PI3K, Atg12-Atg5 conjugate, LC3B-II/LC3B-I and LC3B-II showed a conspicuity in the Arc group. This could indicate, that the autophagy activity is altered in AD and that it can be reestablished through a heterozygous expression of the NR2B subunit. Reasons for the lack of significance could be the low amount of samples or that the age range of the mice was too high. Furthermore murine hippocampal brain slices were incubated with Aβ1-40, Aβ1-42, 3NTyr10Aβ or AβpE3-42 and it was analysed, if Radiprodil, a specific NR2B antagonist, can reverse the synaptotoxic effects of the different Aβ species. However, the evaluation of the autophagy marker did not show significant differences for all A species. Interestingly, Aβ1-40, Aβ1-42, 3NTyr10Aβ or AβpE3-42 did reduce the spine density in the dendrites significantly. A preincubation with Radiprodil could reverse this degenerative process. Radiprodil did not show an effect in the experiment whenAβpE3-42 was used. This points out that at least for AβpE3-42 there is another site of action responsible for the neurotoxic effect, rather than the NR2B subunit. In summary, the presented results underline, that NR2B plays an important role in the Aβ induced pathophysiology of AD and that a decrease of the NR2B activity can convey a neuroprotective effect. At the same time the importance of the NR2B subunit as a possible pharmacological site of action for the treatment of AD is confirmed.