Die Drosophila-Mutante loe: Neurodegeneration und Cholesterin (Folgeprojekt)

Projektdetails:

Thematik:
Förderstatus: abgeschlossen
Art der Förderung: Standard Projekt
Institution: Universität Würzburg, Lehrstuhl für Genetik und Neurobiologie
Projektleiter: Dr. Doris Kretzschmar
Laufzeit: 01. November 2001 - 31. Oktober 2003
Fördersumme: 74.853,00 Euro
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Projektbeschreibung

Für die Erforschung grundlegender Stoffwechselmechanismen und neurodegenerativer Prozesse haben sich relativ einfache Organismen wie die Fruchtfliege Drosophila melanogaster bereits als sehr nützlich erwiesen.

Dr. Kretzschmar hat verschiedene Drosophila-Mutanten isoliert, deren Neurodegeneration einem Menschen mit degenerativen Gehirnerkrankungen vergleichbar ist. Besonders interessant ist hierbei eine Mutante namens löchrig (loe), die sich durch altersabhängige neuronale Degeneration und geringe Mengen von Cholesterinester auszeichnet. loe beeinflusst das Drosophila Amyloid Precursor Protein (APP). Das menschliche APP spielt eine Schlüsselrolle bei der Pathogenese von Alzheimer.

Im loe-Gen sind verschiedene Proteinformen kodiert, die für den Cholesterinhaushalt von Bedeutung sind. Nur eines, LoeI, ist von der Mutation betroffen und kann wegen seiner einzigartigen Funktion nicht durch andere Formen ersetzt werden. Dr. Kretzschmar konnte nachweisen, dass LoeI den Gehalt vom Cholesterinester herabsetzt, der Hauptspeicherform von Cholesterin. Dies ist von Interesse, weil im Gehirn von Alzheimer-Patienten eine verringerte Cholesterinveresterung beobachtet wurde. Außerdem wurde in neueren Experimenten gezeigt, dass eine Veränderung des Cholesterinspiegels sich auf die Produktion des Aβ-Peptids auswirkt, das vom APP abgespalten wird und sich in den Alzheimer typischen Plaques ansammelt. Nach Erkenntnissen von Dr. Kretzschmar wird die Spaltung des Drosophila APP reduziert und es findet eine genetische Interaktion zwischen loe und APP statt: Fruchtfliegen, bei denen beide Proteine mutiert sind, zeigen eine erheblich stärkere Gehirndegeneration als die Nur-loe-Fliegen. Die Funktion des normalen APP ist noch unbekannt, die zunehmende Degeneration in Abwesenheit des APP der Fliege deutet jedoch auf eine nervenschützende Funktion dieser Proteine hin. Dies soll am Drosophila-Modell untersucht werden. Hauptthema dieses Forschungsprojekts ist das komplexe Netzwerk von Ereignissen, die zur Neurodegeneration führen.

Im nächsten Schritt soll erforscht werden, ob dieser Mechanismus auch bei Säugetieren zu finden ist. Dr. Kretzschmar hat beim Menschen bereits ein Protein gefunden, das dem Drosophila-loe-Protein ähnelt. Das Verständnis des grundlegenden Mechanismus der Neurodegeneration bei einem relativ einfachen Organismus soll zur Behandlung und Vorbeugung der fortschreitenden Neurodegeneration bei Alzheimer-Patienten beitragen.

Abschlussbericht

The fruitfly Drosophila has been used successfully as model systems to study the mechanisms that lead to neurodegeneration. We recently also used the fly system to study Alzheimer’s disease (AD). We use flies that express the human Amyloid Precursor Protein (APP), a key factor in AD, to investigate its function and genetic pathways it takes part in. An important mechanism in AD is the processing of APP which creates the Aß peptide, which accumulates in the amyloid plaques found in Alzheimer patients. Extending our experiments on human APP, we created fly lines producing besides APP also the enzyme BACE (or ß-secretase) which is responsible for the cleavage of Aß in humans. The second enzyme necessary for the production of Aß, presenilin or g-secretase, has been found in Drosophila and is capable to cleave human APP. We could show that these flies produce Aß and that this leads to plaque formation and neuronal degeneration in the fly model. Surprisingly, we could detect plaques and neurodegeneration as well as a slightly larger Aß peptide without having BACE present. This reveals that a so far unknown enzyme similar to BACE which we called δ-secretase, must exist in flies.

We assume that this fly enzyme normally processes the fly APP called Amyloid Precursor Protein Like (APPL). The hypothesis that the fly and the human APP are cleaved by very similar mechanisms is further supported by the fact that the human BACE can cleave the Drosophila APPL. Drosophila therefore offers an experimentally easy accessible system to study APP processing and presumably also its function. Currently we are investigating the Drosophila δ–secretase. For this purpose we have created flies that have higher levels of δ-secretase and are in the process to get flies that do not make this enzyme. We also use the Drosophila system to isolate and characterize proteins that affect APPL and are probably also involved in neurodegeneration.

One such interacting gene is affected in the Drosophila mutant löchrig (loe). The mutant flies show age-dependent neurodegeneration, a reduced level of cholesterol esterase, and a reduced lifespan. The LOE protein is part of a protein complex, which besides several other functions inhibits an enzyme (HMG-CoA reductase) responsible for cholesterol synthesis. The inhibition of HMG-CoA reductase by cholesterol lowering drugs has been shown to reduce the risk to develop AD. This effect is supposed to be due to its regulatory role in the cholesterol household because the level of cholesterol can be correlated with the level of produced Aß. We have confirmed that LOE interacts with HMG-CoA reductase and could show that a change in the amount of HMG-CoA reductase influences the neurodegenerative phenotype. LOE interacts with APPL because flies mutant for both proteins show much more severe neurodegeneration. Our experiments revealed that in the loe mutant the processing of APPL is reduced whereas flies making additional LOE have more of the cleaved soluble form LOE not only influences APPL but also the cleavage of APP. To further characterize the function of LOE we searched for proteins that interact with LOE. The first such gene we have identified is called nipsnap. A nipsnap protein can also be found in humans but its function is unknown. We will now study the function of this protein in Drosophila which will hopefully provide important insights into the role of the human protein and its possible involvement in neurodegeneration.

APP has been studied very extensively; however the normal function of this protein is still unclear. Experiments in Drosophila and recently also in vertebrates have suggested a function of APP and  APPL in the formation of the contact zone of neurons. We therefore investigated a possible function of LOE in these synapses. Normal flies show a very stereotypical pattern. This pattern is altered in loe mutant flies which show more but thinner branches innervating the muscles. The opposite effect is visible after over-expression of loe in the nerves. This confirms a role of LOE in synapse formation. The further study of APP and APPL in flies and the characterization of interacting genes in the Drosophila model will hopefully provide more insights into the function of APP proteins and the mechanisms leading to Alzheimer's disease.

Wissenschaftliche Publikationen auf Basis des geförderten Projekts

Carmine-Simmen, A., Proctor, T., Tschape, J., Poeck, B., Triphanm, T., Strauss, R., Kretzschmar, D. (2009). Neurotoxic effects induced by the Drosophila amyloid-beta peptide suggest a conserved toxic function, Neurobiology of Disease, 33:274-281.

Kretzschmar, D. (2005). Neurodegenerative mutants in Drosophila: a means to identify genes and mechanisms involved in human diseases? Invert Neurosci., 5:97-109.

Bettencourt da Cruz, A., Schwärzel, M., Schulze, S., Niyyati, M., Heisenberg, M., Kretzschmar, D. (2005). Disruption of the microtubule-associated protein FUTSCH leads to progressive degeneration in Drosophila. Mol Biol Cell, 16:2433-2442.

Greeve, I. Kretzschmar, D., Tschäpe, J., Beyn, A., Brellinger, C., Schweizer, M., Nitsch, R. & Reifegerste, R. (2004). Alzheimer’s disease-like neuropathology in transgenic Drosophila. Journal of Neuroscience, 24:3899-3906.

Tschäpe, J.-A., Bettencourt da Cruz, A., and Kretzschmar, D. (2003). Progressive neurodegeneration in Drosophila: a model system. J Neural Transm Suppl., 65:51-62.

Tschäpe, J.-A., Hammerschmied, C., Mühlig-Versen, M., Athenstaedt, K., Daum, G., Kretzschmar, D. (2002). The neurodegeneration mutant löchrig interferes with cholesterol homeostasis and Appl processing. The EMBO Journal, 21(23):6367-6376.



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Ein Moment wie ein heller Sonnenstrahl ...

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