Genome wide screen for modifiers of A beta 42-induced neurodegeneration in Drosophila

Prüßing, Katja; Bräunig, Peter; Schulz, Jörg Bernhard

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-42652

Genome wide screen for modifiers of A beta 42-induced neurodegeneration in Drosophila = Genomweiter Screen nach Modifikatoren A beta 42-induzierter Neurodegeneration in Drosophila

Prüßing, Katja^RWTH*

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Katja Prüßing

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangXI, 142 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schulz, Jörg Bernhard (Thesis advisor)^RWTH* ; Bräunig, Peter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-08-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-42652
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82830/files/4265.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Neuropathologie (Genormte SW) ; Molekulargenetik (Genormte SW) ; Alzheimer-Krankheit (Genormte SW) ; High throughput screening (Genormte SW) ; Neurobiologie (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; RNA Interferenz (frei) ; Alzheimer’s disease (frei) ; neurodegeneration (frei) ; genome-wide screen (frei) ; moelcular genetics (frei) ; neuroscience (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die Alzheimer-Erkrankung ist eine progressive neurodegenerative Erkrankung. Sie wird durch zwei neuropathologische Merkmale charakterisiert: neurofibrilläre Tangles bestehend aus Tau Proteinen, und extrazelluläre Plaques bestehend aus Amyloid beta Peptiden (Abeta). Abeta Peptide werden durch variable, proteolytische Prozessierung des transmembranen Amyloid Vorläufer Proteins (Amyloid Precursor Protein - APP) gebildet. An der Entstehung der toxischen Abeta Peptide sind zwei Sekretasen beteiligt, beta-site APP-cleaving enzyme (BACE) und die gamma-Sekretasen bestehend aus Presenilin1/2, Nicastrin, APH-1 und PEN-2. Durch Endoproteolyse entstehen verschieden lange Abeta Peptide, die nach der Zahl der Aminosäurereste in der Kette benannt werden. Vorherrschend sind hier Abeta40 und Abeta42. Beide Abeta Peptidvarianten sind in den für die Alzheimer Erkrankung typischen Plaques nachgewiesen worden. Abeta42 wird jedoch die größere pathologische Bedeutung zugemessen, da nur diese Form aggregiert. Die Entstehung der Alzheimer Erkrankung ist weitestgehend ungeklärt. Eine der anerkanntesten Hypothesen zur Entstehung der Demenz besagt, dass die massive Ablagerung von toxischen Abeta Peptiden Mechanismen auslöst, die zum Verlust neuronalen Zellen führen. Zur Erforschung der molekularen Mechanismen, welche der Abeta42-induzierten Neurodegeneration zugrunde liegen, verwende ich die Fruchtfliege Drosophila melanogaster als Modellorganismus. Die transgene Fliege exprimiert menschliches Abeta42 und die Expression wird kontrolliert durch die Anwendung des UAS/Gal4 Expressionssystems. Außerdem ermöglicht die Kopplung von Abeta42 mit einem Sekretionssignal die extrazelluläre Lokalisation. Die Überexpression von Abeta42 im Nervensystem von Drosophila melanogaster führt zu progressiven Veränderungen in Gewebe und Verhalten der Fliege: In enger Korrelation zum Alter verschlechtern sich die motorischen Fähigkeiten, die Degeneration der Neurone im Gehirn nimmt zu und die Lebensspanne ist verkürzt. Für die vorliegende Arbeit ist ein Phänotyp von Bedeutung, der durch die Expression von Abeta42 im Komplexauge der Fliege entsteht. Die Expression von Abeta42 verursacht eine rauhe Augenoberfläche als direkte Folge von Abeta42-induzierter Degeneration der Fotorezeptoren. Dieser sogenannte "Rauhe-Augen-Phänotyp" dient im Screen als Indikator für Abeta42-induzierte Toxizität. Die Ausprägung und Stärke des Phänotyps als Folge der Expression des toxischen Abeta42 Peptids reagiert sensibel auf Faktoren, welche die Toxizität von Abeta42 verändern, und eignet sich daher sehr gut zur Identifizierung von Modifikatoren Abeta42-induzierter Neurodegeneration. Zur Durchführung eines genetischen Screens wird eine Bibliothek von Fliegenlinien verwendet, bei denen die Expression einzelner Gene durch RNA Interferenz gezielt herabreguliert werden kann. Die für den Screen verwendete Bibliothek umfasst alle Fliegenlinien, welche die Expression von Drosophila Genen mit menschlichen Homologen unterdrücken (n = 7593). Mithilfe des genomweiten Screens wurden 45 Gene identifiziert, die den Abeta42-induzierten Augenphänotyp beeinflussen, wenn ihre Expression unterdrückt wird. Diese 45 Gene sind potentielle Kandidaten für Mechanismen, die zur Abeta42-vermittelten Toxizität beitragen. Die Funktionen der codierten Genprodukte sind sehr vielfältig: sie spielen ein Rolle in Prozessen wie Proteinabbau, Vesikeltransport, Proteinmodifikation, Mitochondrienfunktion und Genregulation. Weitere Analysen der Kandidatenfunktion im Kontext des Abeta42-induzierten Neurodegeneration wurden durchgeführt. Diese beinhalteten Untersuchungen zu Wechselwirkungen zwischen Kandidatengenen und Abeta42 Überexpression in Nervengewebe und deren Auswirkungen auf Nervendegeneration und Lebensspanne. Hiermit sollen funktionelle Aspekte der identifizierten Kandidatengene und deren Einfluss auf Pathomechanismen der Alzheimer-Erkrankung aufgedeckt werden. Außerdem wird zusätzlich zur Abeta42 Expression auch die Überexpression von Tau in Fliegen induziert und damit die Wechselwirkungen beider Hauptmerkmale der Alzheimer Erkrankung untersucht. Die Etablierung dieses doppelt transgenen Drosophila Modells ermöglicht eine tiefergehende Untersuchung der Zusammenhänge beider toxischen Faktoren und deren Auswirkungen auf Prozesse, die zu den weitreichenden neuronalen Verlusten führen, die für die Ausprägung der Alzheimer Demenz verantwortlich sind.

Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease. It is characterised by two neuropathological hallmarks: neurofibrillary tangles and extracellular plaques composed of amyloid beta peptides (Abeta). The Abeta peptides are generated by differential proteolytic cleavage of the transmembrane receptor Amyloid Precursor Protein (APP). The endoproteolysis is performed by the beta-site APP-cleaving enzyme (BACE) and gamma-secretases, consisting of Presenilin 1/2, Nicastrin, APH-1 and PEN-2. Both cleavage products Abeta40 and Abeta42 are found in plaques. However, Abeta42 is the predominant form found in plaques and is considered as the main amyloidogenic peptide as it forms fibrils more easily. To investigate the molecular mechanisms underlying Abeta42-induced neurodegeneration, I am using an established fly model for AD. Drosophila melanogaster expresses human Abeta42 fused to a secretion signal for extracellular localisation under the control of UAS/GAL4 dual activation system. The overexpression of Abeta42 in the nervous system of Drosophila melanogaster results in progressive structural and behavioural phenotypes such as locomotor deficits, age-dependent neurodegeneration in the brain and reduced lifespan. Importantly, eye-specific expression of Abeta42 causes a rough eye phenotype (REP) indicating Abeta42-induced toxicity. The REP provides a tool to identify enhancers and suppressors of Abeta42-induced neurodegeneration, as they alter the REP severity. Using this model, a genetic screen for modifiers of Abeta42-induced neurodegeneration was performed through utilisation of a genome-wide RNAi library. Only RNAi lines silencing fly genes with human homologs were included (n = 7593). The modifier screen yielded 45 RNAi lines silencing genes involved in degradation, vesicular transport, protein modification, mitochondrial function and gene regulation. They were analysed with respect to their ability to modulate characteristic phenotypes induced by tissue-specific overexpression of Abate42 to gain insight into functional aspects of modifier genes in the pathomechanisms in AD. Furthermore, a fly expressing both Tau protein and Abeta42 peptides in nervous tissue was established as a model for combined toxicity of both proteins. Using this approach the study focused on Abeta42-induced Tau toxicity and its effects on survival and AD-specific Tau pathology. Additionally, the model organisms established in this study could provide tools that help to understand disease-specific processes resulting in neuronal loss.

Fulltext:
PDF