Funktionale Analyse der Phosphorylierung von LRRK2 in Morbus Parkinson mittels humaner induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSCs)

In einer immer älter werdenden Gesellschaft steigt die Anzahl von Menschen mit neurodegenerativen Erkrankung wie Morbus Parkinson (MP) rapide an. Parkinson ist die zweithäufigste neurodegenerative Krankheit bei Erwachsenen: Einer von tausend Europäern über dem Lebensalter von sechzig erkrankt an diesem Leiden. Bei Parkinsonpatienten sterben über den Zeitraum von mehreren Jahrzehnten die Nervenzellen in der substantia nigra pars compacta, ein für den Bewegungsapparat entscheidender Teil im Gehirn, ab, die normalerweise den Neurotransmitter Dopamin produzieren dopaminerge Neuronen im Mittelhirn, mDA Neurone). Bisher erhältliche Medikamente können allerdings nur symptomatische Linderung verschaffen, indem sie den Verlust von Dopamin ausgleichen. Derzeit sind demnach keine Wirkstoffe bekannt, die die Krankheitsursache direkt angehen und verhindern können. Daher hat die Entwicklung neuer Substanzen höchste Priorität. Wir schlagen als innovative Therapiemöglichkeit die Modulierung der Aktivität der Leucine-rich repeat kinase (LRRK2) vor.

Mutationen im LRRK2-Gen sind die am häufigsten nachgewiesene genetische Ursache für MP, allerdings ist der exakte molekulare Mechanismus bisher unbekannt. Obwohl LRRK2 in den letzten Jahren im Fokus der Parkinsonforschung steht, ist nur wenig über die Funktion des Gens in Erfahrung gebracht worden. Das LRRK2-Protein wird in Nervenzellen produziert, es kann mit einer Vielzahl von anderen Proteinen interagieren und es besitzt eine enzymatische Kinase-Aktivität, katalysiert also Prozesse innerhalb einer Zelle. Bereits vor einiger Zeit hingegen ist als grundlegendes Prinzip entdeckt worden, wie Zellen ihre Proteine regulieren und an- bzw. ausschalten können, um so die verschiedenen Prozesse innerhalb einer Zelle zu steuern. Zellen erreichen dies unter anderem durch Modifikation von bestimmten Stellen im Protein, indem z.B. eine Phosphatgruppe an eine Aminosäure gekoppelt wird Phosphorylierung. Für das LRRK2-Protein wurden über dreißig dieser Stellen festgestellt, und konsistent mit dieser Idee findet man bei Patienten mit MP-verursachenden LRRK2 Mutationen abnormale Modifikationen am LRRK2-Protein, die die enzymatische Aktivität von LRRK2 verändern. Diese abnormalen Phosphorylierungen führen dazu, dass Nervenzellen im Zellkultur- und Tiermodell neuronale Phänotypen zeigen und absterben. Modifiziert man hingegen diese abnormalen Modifikationen ist es möglich, die Nervenzellen vor Zerstörung zu retten. Daher ist es wahrscheinlich, dass die beobachteten Veränderungen von LRRK2 auch beim Patienten eine wichtige Rolle in der Krankheitsentstehung Pathogenese von MP spielen.

Die exakte Funktion für die meisten der bekannten Phosphorylierungsstellen bei LRRK2 ist unklar, insbesondere bei den im Patienten betroffenen mDA Neuronen. Um besser zu verstehen, wie die Phosphorylierung von LRRK2 und die MP-Pathologie mechanistisch verbunden sind, haben wir ein in vitro Zellmodell entwickelt, welches ein frühes Stadium der MP-Pathogenese im Patienten darstellt. In diesem Modell erzeugen wir mDA Neuronen aus Stammzellen, die wir von Parkinsonpatienten hergeleitet haben (induzierte pluripotente Stammzellen, iPSCs). Die so erzeugten Zellen werden in verschiedenen Methoden dazu genutzt, um den Einfluss und die Funktion der Phosphorylierungsstellen unter verschiedenen Bedingungen wie Stress oder genetische Faktoren zu testen.

 
 

mDA Neuronen, die aus patientenspezifischen iPSCs differenziert wurden, sind die Grundlage für unser in-vitro-Zellkulturmodell von MP

 

Bedeutung und Ziele

In den kommenden Jahren verfolgen wir mit diesem Projekt mehrere Ziele. Kurzfristig wird unser Projekt die Auswirkungen von alternativen Phosphorylierungszuständen von LRRK2 auf die Pathogenese von MP in humanen mDA Neuronen aufzeigen. Dieses Wissen wird uns helfen zu verstehen, wie die enzymatische Aktivität von LRRK2 innerhalb einer Zelle kontrolliert wird und wie diese Regulation in MP involviert ist. Zukünftig könnten diese Phosphorylierungsstellen nützliche Biomarker während klinischer Studien sein, in denen neuartige Medikamente auf ihre Wirksamkeit hin getestet werden.

Mittelfristig werden wir in der Lage sein, weitere Elemente des Netzwerks zu identifizieren, mit denen LRRK2 interagiert und reguliert wird. Die Entzifferung dieser Regulatoren und Mechanismen wird klären, wie krankheitsverursachende Mutationen die physiologische Funktion von LRRK2 stören, und inwiefern die Modulierung der enzymatischen Aktivität von LRRK2 einen therapeutischen Nutzen für den Patienten haben könnte.

Als Langzeitziel wollen wir neue Moleküle entdecken, die diese spezifischen Phosphorylierungsstellen modifizieren, um damit eine Behandlung für Patienten zu ermöglichen. Die Regulation von Kinasen wie LRRK2 ist eine bestens etablierte Therapiestrategie, die bereits sehr erfolgreich in der Behandlung von Krebs angewendet wird. Daher ist es abzusehen, dass unser Projekt zu neuen potentiellen Zielen für die Entwicklung von Medikamenten gegen MP führen kann.

 

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