Analyses of the striatum and olfactory bulb in the PARK15 mouse model and the FBXO7 interactome

Wang, Jingbo; Müller-Newen, Gerhard; Stegmüller, Judith

doi:10.18154/RWTH-2023-09917

Analyses of the striatum and olfactory bulb in the PARK15 mouse model and the FBXO7 interactome

Wang, Jingbo^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jingbo Wang

Ausgabe[überarbeitete Auflage]

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Überarbeitete Auflage. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Stegmüller, Judith (Thesis advisor)^RWTH* ; Müller-Newen, Gerhard (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-03-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-09917
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/971944/files/971944.pdf

Einrichtungen

Klinik und Lehrstuhl für Neurologie (535000-2 ; 933810)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
FBXO7 (frei) ; PARK15 (frei) ; synapse (frei) ; synaptopathy (frei) ; ubiquitination (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Das PARK15 Syndrom wird durch Mutationen im Fbxo7 Gen hervorgerufen und ist eine Variante der genetischen Parkinson Erkrankung. Die klinischen Charakteristika sind juveniler Parkinsonismus mit motorischen Defiziten aber auch nicht-motorischen Symptomen wie Hyposmie. Eine zunehmende Anzahl von Belegen zeigt, dass die frühe Phase der Parkinson Erkrankung als eine Synaptopathie angesehen wird, ehe die neurodegenerative Phase beginnt. Daher strebte ich Untersuchungen im Striatum (Motorareal) und im Riechkolben des PARK15 (NEX-Cre;Fbox7fl/fl) Mausmodells an. Mit immunhistologischen Analysen habe ich inflammatorische Antworten im Striatum aufgedeckt, die sich durch Astrogliose und Mikrogliose gezeigt haben. Obwohl es keine offensichtlichen Unterschiede in der Zahl der Synapsen gab, waren glutamaterge, GABAerge und dopaminerge Signalwege betroffen. In detaillierteren Studien wurden mit Hilfe von quantitativer Massenspektrometrie die Unterschiede in striatalen Synaptosomen der PARK15 Mäuse mit Kontrolltieren verglichen. Mit weiteren immunhistologischen Analysen habe ich bestätigt, dass der Verlust von Fbxo7 zu einem signifikanten Anstieg von C1q führt, was auf eine Aktivierung des Complementsystems hinweist. Des Weiteren habe ich eine signifikante Abnahme von Amphiphysin, Endophilin und Epsin1 bestütigt, was eine pathologische Veränderung der Endozytose andeutet. Ich habe auch eine signifikante Abnahme von α/β-Synuclein, Complexin1-2 und YKT6 festgestellt, was eine Veränderung der Exozytose bedeutet. Um Mechanismen dieser Veränderungen zu untersuchen, habe ich Co-Immunpräzipitationen und Luciferase Assays durchgeführt. Während ich eine Assoziation von FBXO7 mit den genannten Endo- und Exozytoseprotein ausschliessen kann, habe ich ein herausgefunden, dass ein weiteres hochreguliertes Protein der Synaptosomen, FZD, eine potentielle biochemische Beziehung mit FBXO7 und C1q hat und damit weitere Untersuchungen verdient. Mit immunhistologischen Untersuchungen des Riechkolbens konnte ich Mikrogliose und Astrogliose zeigen. Zusätzlich habe ich eine Hochregulation von DAT, Dopamin-Rezeptor 1 und 2 gefunden, was auf eine potentielle Dysfunktion des Riechkolbens hindeutet. Letztlich habe ich weitere Co-Immunpräzipitationen und Proteasomenaktivitäts-Assays zur Untersuchung des neuen Interaktionspartner von FBXO7, Ataxin-3, durchgeführt. Ich habe festgestellt, dass Ataxin-3 C14A, eine Deubiquitinierungsmutante, mit FBXO7 interagiert. Ausserdem habe ich herausgefunden, dass drei Ataxin-3 Isoformen und zwei PolyQ Varianten die Proteasomenaktivität inhibieren, was gegensätzlich zur stimulierenden Funktion von FBXO7 ist. Abschliessend lässt sich sagen, dass meine Forschung zeigt, dass FBXO7 essentiell für die Funktionen im Striatum und im Riechkolben ist und dass der neue Bindungspartner von FBXO7, Ataxin-3, in der Regulation der Proteasomenaktivität eine Rolle spielt.

PARK15 syndrome is a variant of familial Parkinson’s disease, caused by mutations in FBXO7. The main clinical features include early-onset of the disease, characteristic motor defects and in addition non-motor symptoms such as hyposmia. Increasing evidence shows that early-stage Parkinson’s disease is viewed as a synaptopathy prior to entering the neurodegeneration stage. Hence, I sought to examine both in the striatum (motor area) and the olfactory bulb of the PARK15 mouse model (NEX-Cre;Fbox7fl/fl). With immunohistochemical analyses, I discovered that the striatum revealed an inflammatory response with microgliosis and astrogliosis as the main manifestations. While there were no gross changes in the number of synaptic structures, the glutamatergic, GABAergic and dopaminergic pathways in the striatum were negatively affected. In more detailed studies, a quantitative mass spectrometry analyses was performed to compare the changes of striatal synaptosomes of PARK15 mice (NEX-Cre;Fbox7fl/fl) and their control littermates (NEX-Cre;Fbox7fl/+). With further immunohistochemical analyses, I confirmed that loss of Fbxo7 led to a significant increase in C1q, suggesting the activation of the complement system activation. Also, I validated a significant decrease of amphiphysin, endophilin and epsin1, indicating a pathological change in endocytosis. Furthermore, I found a significant decrease in α/β-synuclein, complexin1/2 and YKT6, suggesting a change in the protein network regulating exocytosis. To explore the mechanisms underlying these changes, I performed co-immunoprecipitation experiments and luciferase assays. While I can exclude an association of FBXO7 with the aforementioned endo- and exocytosis proteins, another upregulated protein FZD has a potential relationship with FBXO7 and C1q and deserves further research. With immunohistochemical analyses of the olfactory bulb, I also showed microgliosis and astrogliosis, in addition to downregulated DAT, dopamine receptor D1 and D2, indicating a potential dysfunction in the olfactory bulb. Lastly, I performed co-immunoprecipitation and proteasome activity assays on ataxin-3, a novel partner of FBXO7, and found that ataxin-3 C14A, a mutant that lacks deubiquitination activity, interacts with FBXO7. In contrast to FBXO7-stimulated proteasome activity, three of ataxin-3 isoforms or polyQ variants inhibit proteasome activity. Consistent with the gain-of-function results, the loss-of-function experiment underscored the inhibitory effect of ataxin-3 on proteasome activity. In conclusion, my research showed that FBXO7 is essential for proper functioning of both the striatum and the olfactory bulb, and that FBXO7’s novel interactor ataxin-3 acts in the regulation of proteasome activity.

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