Funktionelle Genomik Forschung
Alzheimer Krankheit
Die Alzheimer-Krankheit (AD) ist die häufigste neurodegenerative Erkrankung, die durch synaptische Funktionsstörungen, neuronalen Verlust und kognitiven Verfall gekennzeichnet ist. Die wichtigsten Läsionen im Gehirn von Alzheimer-Patienten sind neruofibrilläre Knäuel und neuritische Plaques, die hauptsächlich aus dem β-Amyloidpeptid (Aβ) bestehen, das durch Proteolyse aus dem Amyloid-Vorläuferprotein APP entsteht. APP ist ein Single-Pass-Transmembranprotein, das auf zwei verschiedene Arten prozessiert wird: α-Sekretase spaltet APP innerhalb der Aβ-Region, wodurch die Aβ-Bildung verhindert und die APPsα-Ektodomäne freigesetzt wird; auf dem amyloidogenen Weg wird APP nacheinander von β- und γ-Sekretase gespalten, was zur Aβ-Bildung führt. Während die Mechanismen der Aβ-Bildung intensiv untersucht wurden, ist die physiologische Rolle von APP und seiner zahlreichen proteolytischen Fragmente sowie die Frage, ob ein Verlust dieser Funktionen zur Alzheimer-Krankheit beiträgt, noch unbekannt.
Knockout-Mäuse mit einzelnen oder kombinierten Gendefekten von Proteinen der APP-Familie
Die Bestimmung der in vivo Funktionen von APP in Säugetieren wird durch das Vorhandensein von zwei APP-verwandten Genen, APLP1 und APLP2, erschwert. APP und APLP teilen sich zwei konservierte Domänen in der extrazellulären Region (E1 und E2) und eine in der zytoplasmatischen Domäne, während das β-Amyloidpeptid in APLP fehlt. Daher kann funktionelle Redundanz den Verlust wesentlicher Genfunktionen kompensieren, z. B. in Knockout-Modellen (KO). In der Tat konnten wir durch die Erzeugung verschiedener KO-Mutanten zeigen, dass sich die großen strukturellen Ähnlichkeiten zwischen APP und APLPs auch auf funktioneller Ebene widerspiegeln. Mäuse, bei denen APP, APLP1 oder APLP2 inaktiviert ist, sind lebensfähig, und APP-KO-Mäuse wiesen ein vermindertes Gehirn- und Körpergewicht, eine geringere Greifkraft, eine veränderte Bewegungsaktivität, eine erhöhte Anfälligkeit für Krampfanfälle und einen Defekt beim räumlichen Lernen und der LTP auf. Im Gegensatz zu den lebensfähigen Einzelmutanten sterben kombinierte APLP2-/-APP-/- und APLP2-/-APLP1-/- Doppelmutanten kurz nach der Geburt, was darauf hindeutet, dass die Proteine der APP-Familie redundante Funktionen erfüllen, die für die Lebensfähigkeit wesentlich sind (Heber et al., 2000). Während die Gehirne von Doppel-Knockout-Tieren keine offensichtlichen morphologischen Defekte aufweisen, zeigen Dreifachmutanten, denen die gesamte APP-Genfamilie fehlt, kraniale Dyspalien, die der menschlichen Lissenzephalie vom Typ II ähneln (Herms et al., 2004). In den betroffenen Bereichen wanderten neuronale Zellen aus der kortikalen Platte über ihre normale Position hinaus und ragten in die Marginalzone und den Subarachnoidalraum. APP/APLPs spielen also eine entscheidende Rolle bei der Adhäsion und Positionierung von Neuronen. Diese Rolle bei der Zelladhäsion wird auch durch Daten aus einer kürzlich durchgeführten Gemeinschaftsstudie gestützt, die zeigt, dass Proteine der APP-Familie cis- und trans-Dimere bilden, die an der Zelladhäsion beteiligt sind, und somit eine Rolle bei der synaptischen Differenzierung/Funktion spielen könnten (Soba et al. 2005). Insgesamt zeigen unsere Daten, dass Mitglieder der APP-Familie eine wesentliche Rolle bei der normalen Gehirnentwicklung und dem frühen postnatalen Überleben spielen. Derzeit wird daran gearbeitet, die frühe Letalität zu umgehen und die Funktionen postnatal durch die Erzeugung gewebespezifischer Knockouts zu bewerten.
