Bedeutung nukleärer Hormonrezeptoren im Rahmen beta-Amyloid-induzierter Degeneration in einem Alzheimermodell des Nematoden Caenorhabditis elegans

Abstract

Mit der zunehmenden Lebenserwartung des Menschen ist ein vermehrtes Auftreten von neuro-degenerativen Erkrankungen wie der Alzheimer-Demenz zu beobachten. Sie ist die häufigste Form der Altersdemenz und zeichnet sich histopathologisch durch das Auftreten von senilen Plaques im Gehirn aus, welche durch die neuronale Ablagerung von beta-Amyloid (Abeta)-Aggregaten charakterisiert sind. Aufgrund der damit verbundenen neurotoxischen Effekte wird die Akkumulation von Abeta-Aggregaten als eine Hauptursache für die Alzheimer typische Symptomatik angesehen, die sich im Wesentlichen durch eine fortschreitende kognitive Dysfunktion der Betroffenen auszeichnet. Neben der genetisch bedingten Alzheimer-Demenz gibt es eine sporadische Form, für die sowohl verschiedene Risiko- als auch präventive Faktoren diskutiert werden. Zahlreiche Faktoren der Nahrung wirken entweder direkt oder als Vorläufer auf die Aktivität nukleärer Hormonrezeptoren ein und beeinflussen dadurch zahlreiche Prozesse, die im Rahmen der Alzheimer-Pathogenese von Relevanz sind. In diesem Zusammenhang wird einerseits Cholesterol als fördernd und Vitamin D3 als verhindernd oder verzögernd für die Alzheimer-Pathogenese beschrieben. In der vorliegenden Arbeit wurde das transgene C. elegans Alzheimer-Modell CL2006 verwendet, das in seinen Muskelzellen humanes Abeta1-42 bildet und bedingt durch die daraus resultierende gehemmte neuromuskuläre Transmission mit fortschreitendem Alter einen charakteristischen Paralyse-Phänotyp ausbildet.In C. elegans wird Cholesterol durch den Steroid-Signalweg zu dafachronischen Säuren verstoffwechselt, die als Liganden für den nukleären Hormonrezeptor DAF-12 fungieren. Die durch RNA-Interferenz (RNAi) erzielte verminderte Expression des daf-36 Gens, das für ein Mitglied des Steroid-Signalweges kodiert, und des nhr-8 Gens, das für einen nukleären Hor- monrezeptor mit regulatorischer Funktion für den Steroid-Signalweg kodiert, führten zu einer reduzierten Paralyse in CL2006. Außerdem konnte infolge der RNAi-vermittelten Hemmung des Steroid-Signalweges sowohl eine gesteigerte nukleäre Lokalisation des stromabwärts positionierten DAF-16 Transkriptionsfaktors als auch eine gesteigerte SOD-3-Expression mithilfe von transgenen Nematodenstämmen, die ein GFP-Reportergen an den entsprechenden Promotor gekoppelt haben, nachgewiesen werden. Demzufolge bewirkte die reduzierte Aktivität des Steroid-Signalweges eine Aktivierung des Stressantwort-Gene-transkribierenden DAF-16. Die mit der Hemmung des Steroid-Signalweges verbundenen protektiven Effekte auf den Alzhei- mer-Phänotyp konnten durch eine Erhöhung der Cholesterol-Applikation allesamt wieder aufgehoben werden. Weiterhin hat sich gezeigt, dass DAF-12 durch die Hemmung von DAF-16 auch den proteasomalen und lysosomalen Abbau von Abeta-Aggregaten reduziert.Das als neuroprotektiv diskutierte Vitamin D3 senkte bereits in einer Konzentration von 1 µM signifikant die Paralyse in CL2006. Es konnte gezeigt werden, dass der protektive Effekt von Cholecalciferol auf einer Kompetition mit Cholesterol um die Aufnahme in die Intestinalzellen und die Interaktion mit den Mitgliedern des Steroid-Signalweges beruht. Letztlich bewirkte dies eine verstärkte nukleäre Lokalisation des Transkriptionsfaktors DAF-16, der sich auch für die Alzheimer-Phänotyp-reduzierenden Effekte des Vitamin D3 als essenziell herausstellte.PPAR-alpha ist ein nukleärer Hormonrezeptor, dem eine protektive Rolle im Hinblick auf die Entstehung der Alzheimer-Erkrankung zugesprochen wird. Sowohl der knock-down von NHR-49 als auch von seinen Bindungspartnern NHR-66 und NHR-80 steigerten die Paralyse in CL2006 signifikant. Mittels Doppel-RNAi von nhr-49 und daf-9 bzw. daf-12 konnte gezeigt werden, dass NHR-49 stromaufwärts des Steroid-Signalweges positioniert ist und die Aktivität des Steroid-Signalweges hemmt. Während allerdings NHR-49 die nukleäre DAF-16-Lokalisation bewirkt, können dies dessen Bindungspartner nicht. Auch die transkriptionelle Steigerung der SOD-3-Expression wurde weder durch NHR-66 noch durch NHR-80 verändert. Vielmehr scheinen die NHR-49-Bindungspartner über eine Steigerung der Fettsäuren-beta-Oxidation, die auch ein typisches reguliertes Ziel von NHR-49 darstellt, den Alzheimer-Phänotyp zu reduzieren.Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der Steroid-Signalweg durch die Generierung von Liganden für DAF-12 in C. elegans zu einer Hemmung der nukleären DAF-16-Translokation und damit zu einem reduzierten Schutz gegenüber der Abeta-induzierten Paralyse führt. Chol- esterol als Substrat des Steroid-Signalweges wirkt somit hemmend auf die nukleäre DAF-16- Translokation und verstärkt den Alzheimer-Phänotyp in CL2006. Vitamin D3 konkurriert mit den Cholesterol-Metaboliten um die Bindung an die Mitglieder des Steroid-Signalweges.NHR-49 konnte schließlich als ein weiterer nukleärer Hormonrezeptor identifiziert werden, der den Steroid-Signalweg inhibiert und darüber DAF-16-abhängig die Paralyse in CL2006 senkt. With the increasing life expectancy of humans an increased occurrence of neurodegenerative diseases such as Alzheimer´s dementia can be observed. It is the most common form of senile dementia and is characterized histopathologically by the appearance of senile plaques in the brain, which are characterized by the neuronal deposition of amyloid beta (Abeta) aggregates. Due to the associated neurotoxic effects, the accumulation of Abeta aggregates is considered to be a major cause of Alzheimer´s typical symptoms, which are essentially characterized by progressive cognitive dysfunction of the affected persons. In addition to genetically caused Alzheimer´s dementia, there is a sporadic form for which various risk and preventive factors are discussed. Numerous dietary factors have a direct or precursor effect on the activity of nuclear hormone receptors and thus influence numerous processes relevant to Alzheimer´s pathogenesis. In this context, cholesterol is described as promoting and vitamin D3 as preventing or delaying Alzheimer´s pathogenesis. The present work uses the transgenic C. elegans Alzheimer model CL2006, which expresses human Abeta1-42 in its muscle cells and forms a characteristic paralysis phenotype with progressive age due to the resulting inhibited neuromuscular transmission.In C. elegans, cholesterol is metabolized by the steroid-signaling pathway to dafachronic acids, which act as ligands for the nuclear hormone receptor DAF-12. Reduced expression by RNA interference (RNAi) of the daf-36 gene, which encodes a member of the steroid-signaling path- way, and the nhr-8 gene, which encodes a nuclear hormone receptor with regulatory function for the steroid-signaling pathway, led to reduced paralysis in CL2006. In addition, experiments in transgenic nematode strains that coupled a GFP reporter gene with the corresponding promoter showed that RNAi-mediated inhibition of the steroid-signaling pathway led to increased nuclear localization of the downstream DAF-16 transcription factor and increased SOD-3 expression. Consequently, the reduced activity of the steroid-signaling pathway led to activation of the stress response gene transcribing DAF-16. The protective effects on the Alzheimer phenotype associated with the inhibition of the steroid-signaling pathway could all be reversed by an increase of cholesterol application.Furthermore, DAF-12 has been shown to reduce proteasomal and lysosomal degradation of Abeta aggregates by inhibiting DAF-16.Vitamin D3, which is discussed as neuroprotective, already significantly lowered paralysis in CL2006 at a concentration of 1 µM. It could be shown that the protective effect of cholecalciferol is based on competition with cholesterol for uptake into intestinal cells and interaction with members of the steroid-signaling pathway. Finally, this led to an increased nuclear localization of the transcription factor DAF-16, which was also found to be essential for the Alzheimer phenotype-reducing effects of vitamin D3.PPAR-alpha is a nuclear hormone receptor that is expected to play a protective role in the development of Alzheimer´s disease. Both knockdown of NHR-49 and its binding partners NHR-66 and NHR-80 significantly increased paralysis in CL2006. Double RNAi of nhr-49 and daf-9 or daf-12 showed that NHR-49 is positioned upstream of the steroid-signaling pathway and inhibits the activation of the steroid-signaling pathway. However, while NHR-49 causes DAF-16 nuclear localization, its binding partners do not. Neither NHR-66 nor NHR-80 altered the transcriptional increase of SOD-3 expression. The NHR-49 binding partners seem to reduce the Alzheimer´s phenotype by increasing fatty acid oxidation, which is also a typical regulated target of NHR-49.In summary, it can be concluded that the steroid-signaling pathway, by generating ligands for DAF-12 in C. elegans, leads to inhibition of nuclear DAF-16 translocation and thus to reduced protection against Abeta-induced paralysis. As a substrate of the steroid-signaling pathway, cholesterol thus inhibits nuclear DAF-16 translocation and enhances the Alzheimer´s phenotype in CL2006. Vitamin D3 competes with cholesterol metabolites for binding to members of the steroid-signaling pathway.Finally, NHR-49 was identified as another nuclear hormone receptor that inhibits the steroid-signaling pathway and reduces paralysis in CL2006 depending on DAF-16.