Analysis of expression patterns of heat shock proteins HSPA1, HSPA5 and HSPH4 in the course of epileptogenesis

Nowakowska, Marta (2020): Analysis of expression patterns of heat shock proteins HSPA1, HSPA5 and HSPH4 in the course of epileptogenesis. Dissertation, LMU München: Tierärztliche Fakultät

Abstract

Epilepsies are common chronic diseases with high burden both in veterinary practice and in human medicine. Due to many obstacles in standard therapeutic procedures leading to ineffective treatment, development of new targeting strategies is necessary. A good starting point is preventing or hindering the process of epileptogenesis, when all the mechanisms driving the pathologic alterations in the brain commence and proceed. The link between epileptogenesis and inflammation has been already established. It is known that epileptogenic insults can start inflammatory processes as well as that inflammation can sustain and progress epileptogenesis. Therefore, modification of pro-inflammatory signalling within a cell would make a possibly efficient therapy strategy. Among cascades leading to inflammation, the one of Toll-like receptor 4 (TLR4) is of particular interest, due to its known contribution to generation of seizures. Ligands of TLR4 include pathogen-derived as well as endogenous molecules, among them heat shock protein A1 (HSPA1). The unfolded protein response is a set of processes started by stress exerted on endoplasmic reticulum. Gathering of misfolded peptides is a factor precipitating the response, which in the end leads to upregulation of chaperones. Among them, heat shock protein A5 (HSPA5) and heat shock protein H4 (HSPH4) play important roles in bringing back the homeostasis inside the organelle. The unfolded protein response is known to contribute to many neurological disorders. To investigate alterations that the three heat shock proteins undergo following an epileptogenic insult, single and multiple immunohistochemistry was performed in brains collected from rats of temporal epilepsy model as well as in canine tissue from clinical cases. In the rat temporal lobe epilepsy model, stereological cell counting revealed a clear upregulation of HSPA1 expression in all investigated regions of the hippocampus and the parahippocampal cortex in the early post-insult phase. Upregulation of HSPA5 and HSPH4 expression was spatially restricted, present predominantly in the parahippocampal cortex, mostly in the latency phase. All of the heat shock proteins were expressed by neurons, and restricted expression was observed in microglia (HSPA1) and in astroglia (HSPA5). In canine tissue, quantitative analysis revealed an increase of HSPH4 expression in brains collected from patients diagnosed with structural epilepsy in Cornu Ammonis 3 region of the hippocampus. These findings advocate an influence of status epilepticus and of the subsequent epileptogenic process on regulation of heat shock proteins expression. Considering involvement of HSPA1 in inflammatory cascade, possible modifications of expression of this protein could be a suitable therapeutic strategy. However, it has to be firstly elucidated, whether HSPA1 acts protectively or deleteriously as an element of the Toll-like receptor 4 inflammatory cascade. At the same time, hampering the progression of the process may be achieved by modifications of endoplasmic heat shock proteins, HSPA5 and HSPH4, involved in local stress response and expressed predominantly during the latency phase. More research however is necessary, involving genetic and pharmacological modulation of both proteins in vivo.

Abstract

Epilepsien sind chronische, höchstbelastende Erkrankungen, die sowohl in der Veterinär- als auch in der Humanmedizin weit verbreitet sind. Viele Patienten sprechen nicht auf eine pharmakologische Therapie an und können daher nicht effektiv behandelt werden. Aus diesem Grund ist die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien und das Finden neuer therapeutisch nutzbarer Zielstrukturen notwendig. Dabei ist es ein Hauptziel der epileptologischen Forschung Strategien zu entwickeln, die den Prozess der Epilepsieentstehung unterbrechen. Aus der Literatur ist bekannt, dass epileptische Anfälle inflammatorische Prozesse induzieren und dass inflammatorische Prozesse die Epileptogenese induzieren und forcieren können. Deswegen könnte eine Modifizierung von pro-inflammatorischen Signalkaskaden möglicherweise eine effiziente Präventionsstrategie darstellen. In diesem Zusammenhang ist die Toll-like-Rezeptor-4(TLR4)-Signalkaskade von besonderem Interesse. Die Liganden des TLR4 umfassen verschiedene endogene Moleküle, unter anderem auch das Hitze-Schock-Protein A1 (HSPA1). Die zelluläre Antwort auf ungefaltete Proteine umfasst komplexe Reaktionen, die durch zelluläre Stressfaktoren ausgelöst werden, welche das endoplasmatische Retikulum beeinflussen. Die Kumulation von fehlerhaft gefalteten Peptiden ist ein Faktor, der die Antwort beschleunigt, was im Endeffekt zur Hochregulierung von Chaperon-Proteinen führt. Unter den Chaperon-Proteinen spielen Hitze-Schock-Protein A5 (HSPA5) und Hitze-Schock-Protein H4 (HSPH4) eine wichtige Rolle für die Wiederherstellung der Homöostase. Die zelluläre Antwort auf ungefaltete Proteine scheint zur Pathophysiologie verschiedener neurologischer Erkrankungen beizutragen. Um die Veränderungen der Expressionsraten der drei Hitze-Schock-Proteine in Folge von epileptischen Anfällen zu untersuchen, wurden qualitative und quantitative immunhistochemische Untersuchungen an Gehirnschnitten von Ratten während der Epileptogenese sowie an Gehirnen von Hundepatienten durchgeführt. In der frühen Post-Insult-Phase des Rattenmodells der Temporallappenepilepsie konnte durch stereologische Zellzählung eine erhöhte Zahl HSPA1-exprimierender Zellen in allen untersuchten Regionen des Hippocampus und des parahippocampalen Cortex in der frühen Post-Insult-Phase nachgewiesen werden. Eine Überexpression von HSPA5 und HSPH4 zeigte sich hingegen nur in einzelnen Hirnregionen, wie dem parahippocampalen Cortex. Alle im Rahmen dieses Forschungsprojektes analysierten Hitze-Schock-Proteine waren in Neuronen exprimiert und zusätzlich vereinzelt in Mikrogliazellen (HSPA1) und in Astrozyten (HSPA5). Die quantitative Analyse im Hundegewebe zeigt eine Erhöhung der HSPH4-Expression in der Cornu-Ammonis-3-Region des Hippocampus in Gehirnen von Patienten mit struktureller Epilepsie. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Status Epilepticus als epileptogener Insult und der Prozess der Epileptogenese einen Einfluss auf die Expression von Hitze-Schock-Proteinen ausübt. Angesichts der Beteiligung von HSPA1 in der Inflammationskaskade könnte möglicherweise eine gezielte Modulation der Expression dieses Proteins eine geeignete neue Therapiestrategie darstellen. Allerdings muss zuerst abgeklärt werden, ob HSPA1 als ein Element der TLR4-Entzündungskaskade nach epileptogenen Insulten protektive oder schädliche Eigenschaften besitzt. Möglicherweise könnte der Prozess der Epileptogenese außerdem durch eine Modulation der endoplasmatischen Hitze-Schock-Proteine, HSPA5 und HSPH4, beeinflusst werden. Diese beiden Proteine sind an der lokalen Stressantwort beteiligt und werden vorüberwiegend in der Latenzphase der Epileptogenese exprimiert. Weiterführende funktionelle Studien, insbesondere die genetische und pharmakologische Modulation dieser Proteine in vivo, sind jedoch eine Voraussetzung, um eine abschließende und umfassende Aussage treffen zu können.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
• Fakultäten: Tierärztliche Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 25. Juli 2020
• 1. Bericht­erstatter:in: Potschka, Heidrun