Літій зменшує гліальний фібрилярний кислотний білок у мишачої моделі хвороби Олександра

Партнерський центр Вайсмана, Університет штату Вісконсін-Медісон, Медісон, штат Вісконсін, Сполучені Штати Америки

Афілійований відділ неврології Боннського університету, Бонн, Німеччина

Центр Waisman Affiliations, Університет штату Вісконсін-Медісон, штат Медісон, штат Вісконсин, Сполучені Штати Америки, Департамент порівняльних біологічних наук, Університет штату Вісконсін-Медісон, штат Медісон, штат Вісконсин, Сполучені Штати Америки

Крістін М. Лапаш Деніелс,
Елізабет Паффенрот,
Елізабет В. Остін,
Костянтин Глібов,
Діана Льюїс,
Йохен Вальтер,
Елбі Мессінг

Цифри

Анотація

Цитування: LaPash Daniels CM, Paffenroth E, Austin EV, Glebov K, Lewis D, Walter J, et al. (2015) Літій зменшує гліальний фібрилярний кислотний білок в мишачій моделі хвороби Олександра. PLOS ONE 10 (9): e0138132. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0138132

Редактор: Девід Р. Борчельт, Університет Флориди, США

Отримано: 21 червня 2015 р .; Прийнято: 25 серпня 2015 р .; Опубліковано: 17 вересня 2015 р

Наявність даних: Усі відповідні дані містяться в роботі та в допоміжних файлах.

Фінансування: Цю роботу підтримали гранти Національного інституту неврологічних розладів та інсульту (ninds.nih.gov; NS060120 та NS042803 AM), Національного інституту охорони здоров’я дітей та розвитку людини (nichd.nih.gov; P30 HD003352 Waisman Центр) та Фонд Хуани (AM). Фінансисти не мали жодної ролі у розробці дослідження, збиранні та аналізі даних, прийнятті рішення про публікацію чи підготовці рукопису.

Конкуруючі інтереси: Автори заявили, що не існує конкуруючих інтересів.

Вступ

Хвороба Олександра - рідкісне та летальне нейродегенеративне захворювання, що характеризується утворенням білкових включень, званих волокнами Розенталя, в клітинах астроцитів і процесах. Майже всі випадки пов'язані з домінуючими мутаціями проміжного ниткоподібного гліозного фібрилярного кислотного білка (GFAP) [1], які, як видається, діють з посиленням функції. Початок захворювання може відбуватися протягом усього життя, із такими симптомами, як судоми та затримка психомоторного розвитку, часті у молодих пацієнтів, а також труднощі з мовою та ковтанням, вегетативна дисфункція та порушення ходи, частіше зустрічаються у пацієнтів старшого віку [2]. Хвороба Олександра класифікується серед лейкодистрофій через значні дефекти білої речовини, які є, особливо у пацієнтів з ранньою появою.

Хоча питання про те, чи токсичні самі волокна Розенталя, невирішено, провідною гіпотезою, що пояснює патогенез, є те, що рівні білка GFAP накопичуються вище токсичного порогу (поки що не визначений), що призводить до дисфункції астроцитів і ряду вторинних ефектів на інші типи клітин центральної нервової системи [3]. Дійсно, збільшення GFAP постійно виявляється при хворобі Олександра, як при вимірюванні в паренхімі мозку, так і в лікворі [4, 5]. GFAP є головним компонентом розентальських волокон, і насправді утворення розентальських волокон може бути ініційоване просто надмірною експресією навіть GFAP дикого типу до досить високих рівнів [6]. Накопичення GFAP, яке виявляється при хворобі Олександра, частково зумовлене посиленим синтезом, оскільки рівні мРНК підвищені [7] і відбувається спонтанне збільшення активності промотору GFAP [8]. Крім того, в шляхах деградації відбуваються складні зміни. Наприклад, мутант GFAP хвороби Олександра активує реакцію стресу на N-кінцеву кіназу c-Jun (JNK), яка блокує активність протеасом [9, 10]. Разом зміни в синтезі та деградації можуть призвести до позитивних циклів зворотного зв'язку, які посилюють накопичення GFAP.

Зменшення накопичення GFAP нижче токсичного рівня пропонується як одна з потенційних стратегій лікування [11]. Розглядаючи шляхи деградації як терапевтичну мішень, однією з можливостей зменшити агрегацію білка є індукція аутофагії. Аутофагія (макроавтофагія) - це неспецифічний деградаційний шлях для довгожителів цитоплазматичних білків, білкових комплексів та органел [12]. Препарати, що індукують аутофагію, виявились корисними для зменшення білкових агрегатів на моделях інших нейродегенеративних розладів, таких як хвороба Хантінгтона, хвороба Паркінсона, спіноцеребелярна атаксія та тауопатія [13–17]. Дійсно, на основі моделей культури клітин, аутофагія, як видається, природно збільшується у пацієнтів із хворобою Олександра, і аутофагія сприяє деградації GFAP [4]. Ми припустили, що подальше збільшення аутофагії при хворобі Олександра може знизити рівень білка.

Літій може інгібувати GSK3β безпосередньо через конкуренцію з Mg ++ та опосередковано через Akt/PKB. Інгібування GSK3β відбувається шляхом фосфорилювання (Р) на серині 9 (S9). Потім дезінгібування mTOR може призвести до зменшення аутофагії. Літій також може посилити аутофагію через шлях IMPase. В якості альтернативи, літій може інгібувати STAT3 безпосередньо або опосередковано через GSK3β, зменшуючи його фосфорилювання при тирозині 705 (Y705). Потім запобігається транслокація STAT3 до ядра, де він зазвичай зв'язується з промотором GFAP і активує транскрипцію. Червоний текст вказує на гальмування, а синій - на активацію шляхів літієм.

Через повідомлення про вплив на аутофагію, STAT3 та GFAP, ми намагалися перевірити, чи може літій знижувати рівень GFAP на мишачій моделі хвороби Олександра. Миші-нокаути Gfap-R236H мають мутацію, гомологічну загальній мутації R239H у людей, і повторюють кілька особливостей захворювання, включаючи підвищений GFAP, волокна Розенталя, підвищену реакцію на стрес і підвищену сприйнятливість до судом [26]. Ми виявили, що лікування літієм знижувало білок GFAP та транскрипти в декількох регіонах головного мозку та спинного мозку мутантних мишей Gfap, хоча це мало побічні ефекти та летальні випадки, які залежали від дози. Маркери для аутофагії не змінилися, хоча активація STAT3 була зменшена, що вказує на те, що літій може знижувати рівень GFAP завдяки регуляції транскрипції, а не шляхам деградації білка.

Матеріали і методи

Заява про етику

Усі дослідження проводились відповідно до рекомендацій Національного керівництва інститутів охорони здоров’я щодо догляду та використання лабораторних тварин і були затверджені Комітетом з догляду та використання тварин у Вищій школі Університету Вісконсин-Медісон (протоколи G00199, G00321, та G00549).

Мишей-нокаутів з точковою мутацією Gfap-R236H генерували, як описано раніше [26], і підтримували як гетерозиготи на фоні FVB/N, як описано раніше [27]. Трансгенні миші Gfap-luc експресують люциферазу світлячка під контролем 12 кб мишачого промотору Gfap [28], а також підтримувались у фоновому режимі FVB/N. Мишей розміщували на циклі 10 год/14 год темряви/світла з 2–5 мишами на клітку. Для експериментів використовували самців і самок мишей R236H/+ та +/+ односмітників, а дані від кожної статі аналізували окремо, якщо не вказано інше. Були зроблені спроби сліпих дослідників щодо лікування наркотиками, але через посилене сечовипускання та інші помірні побічні ефекти, спричинені LiCl, стало очевидним, які миші отримували LiCl, і подальших зусиль не робилося, щоб продовжувати "сліпити" дослідження. Мишей обробляли у порядку зростання ідентифікаційного номера, причому молодші миші мали вищі ідентифікаційні номери (нові підстилки обробляли останніми). Вся обробка зразків та початковий аналіз даних проводились без відома генотипу та лікування наркотиками. Під час усіх досліджень мишей спостерігали принаймні раз на день. Мишей, які виявили неактивними та не мали легкого доступу до їжі чи води, евтаназували.