Role of α-synuclein in the pathogenesis and progression of Parkinson’s disease

Abstract

Several lines of evidence indicate that the propagation of misfolded α-synuclein (α-syn) plays a fundamental role in the initiation and progression of Parkinson’s disease (PD). Considering that the cell-to-cell transfer of misfolded α-syn entails its release accompanied by internalization, focusing on α-syn clearance in the extracellular space may be critical for preventing α-syn propagation and hence, slowing or even halting disease progression. Kallikrein-related peptidase 6 (KLK6), a serine protease primarily expressed in the CNS, has been suggested to play a crucial part in the proteolysis of intracellular α-syn. Although KLK6 is normally secreted and exhibits its enzymatic activity in the extracellular space, the capacity of this enzyme to degrade extracellular forms of α-syn still remains elusive. In the current study, we aim to decipher whether KLK6 plays a physiological role in regulating the turnover of naturally-secreted α-syn in the brain and whether it can be used as a therapeutic target for the elimination of misfolded/accumulated α-syn forms observed under pathological conditions. Here, we demonstrate that both the recombinant and cell-secreted forms of KLK6 are able to degrade not only naturally-secreted α-syn but also pathogenic fibrilar α-syn forms. By utilizing Klk6 knockout (Klk6-/-) mice as our experimental model we show that behaviorally, Klk6-/- mice display intact motor and cognitive functions. Further in vivo characterization of this novel mouse model, in terms of α-syn accumulation,showed that KLK6 deletion had no impact on the protein levels of endogenous α-syn, either intracellularly or extracellularly. Upon in vivo administration of α-syn pre-formed fibrils (PFFs), no exacerbation of α-syn pathology was evident in the brains of Klk6-/- mice; while, exogenous delivery of KLK6 did not affect secreted α-syn levels observed in the PD mouse model of human A53T α-syn over-expression. Our results clearly demonstrate that Klk6-/- mice do not develop a major neurodegenerative phenotype in response to KLK6 deletion; while, no predominant KLK6 regulatory effects on α-syn levels were prevalent, either under physiological or pathophysiological-relevant conditions. These novel findings suggest that in vivo, KLK6 is not a key modulatorof the α-syn turnover, possibly due to the presence of other compensatory proteolytic mechanisms, and further highlight the need of elucidating the role of this enzyme in an in vivo setting in order to employ KLK6 for future disease intervention.

Εισαγωγικά στοιχεία: Η νόσος του Πάρκινσον αποτελεί μια από τις συχνότερες νευροεκφυλιστικές παθήσεις η οποία χαρακτηρίζεται από προοδευτικά εξελισσόμενη εκφύλιση του κεντρικού νευρικού συστήματος με τελικό αποτέλεσμα τη σταδιακή έκπτωση της κινητικότητας του ατόμου. Μέχρι και σήμερα δεν έχει ανακαλυφθεί η αιτία της νόσου και κατά επέκταση ούτε κάποια αιτιολογική θεραπεία. Ωστόσο, συνδυασμός γενετικών και βιοχημικών δεδομένων υποδηλώνουν ότι η πρωτεΐνη α-συνουκλεΐνη αποτελεί βασικό παθογενετικό αίτιο της νόσου. Σημαντική για την τοξική δράση της α-συνουκλεΐνης έχει θεωρηθεί η τάση της πρωτεΐνης αυτής να δημιουργεί ολιγομερή, που σχηματίζουν διαλυτά πρωτοϊνίδια, τα οποία σταδιακά αρχίζουν να συσσωρεύονται στο κυτταρόπλασμα και να σχηματίζουν μη διαλυτά συσσωματώματα. Ένας αυξανόμενος αριθμός μελετών έχει εστιάσει στην ικανότητα της δια-κυτταρικής μεταφοράς των ινιδίων της α-συνουκλεΐνης ως έναν από τους βασικούς μηχανισμούς επαγωγής της παθολογίας. Τα αποτελέσματα των μελετών αυτών υποστηρίζουν ότι οι ινώδεις μορφές της ανασυνδυασμένης α-συνουκλεΐνης φαίνεται να μοιράζονται κάποια κοινά χαρακτηριστικά με τις πρωτεΐνες prion. Πιο συγκεκριμένα, τα ινίδια α-συνουκλεΐνης μπορούν να εκκριθούν στον εξωκυττάριο χώρο, να προσληφθούν από γειτονικά κύτταρα και να επάγουν τον πολυμερισμό/συσσωμάτωση της ενδοκυττάριας μονομερούς α-συνουκλεΐνης στα κύτταρα-δέκτες, επιταχύνοντας με αυτό τον τρόπο την μετάδοση/εξέλιξη της παθολογίας της νόσου σταδιακά σε ολόκληρο τον εγκέφαλο σε in vivo μοντέλα. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω δεδομένα, είναι προφανές ότι ο έλεγχος των επιπέδων της α-συνουκλεΐνης εξωκυττάρια είναι πιθανό να αντιπροσωπεύει έναν καθοριστικό στόχο για τη διατήρηση της ομοιόστασης του νευρικού κυττάρου. Για το λόγο αυτό, το μονοπάτι καταβολισμού/επεξεργασίας της α-συνουκλεΐνης έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Η καλλικρεΐνη 6 (KLK6) είναι μια εξωκυττάρια σερινοπρωτεάση τύπου-θρυψίνης, η οποία παράγεται σε υψηλά επίπεδα στο νευρικό σύστημα και εκκρίνεται στο εγκεφαλονωτιαίο υγρό. Μελέτες έχουν δείξει ότι η έκφραση της KLK6 σχετίζεται ανάστροφα με τη συσσώρευση α-συνουκλεΐνης σε εγκεφάλους ασθενών με Άνοια με Σωμάτια Lewy, ενώ η υπερέκφραση της Klk6 ποντικού μέσω τροποποιημένων λεντιιών σε διαγονιδιακά ποντίκια που εκφράζουν την αγρίου-τύπου (wt) α-συνουκλεΐνη οδηγεί σε μείωση των ενδοκυττάριων και νευροπιληκών συσσωματωμάτων αποτελούμενων από α-συνουκλεΐνη. Επιπρόσθετα, σε ένα μοντέλο διαγονιδιακών ποντικών, πρότυπο για τη μελέτη ατροφίας πολλαπλών συστημάτων, βρέθηκε ότι η εκκρινόμενη στον εξωκυττάριο χώρο α-συνουκλεΐνη φαίνεται να ευθύνεται για την ανάπτυξη παθολογίας σε αυτό το ζωικό μοντέλο και ότι η ενδοπεριτονιακή χορήγηση του τροποποιημένου ενζύμου KLK6 για ειδική στόχευση στον εγκέφαλο έχει ως αποτέλεσμα την βελτίωση της παθολογίας τους. Στόχος της ερευνητικής εργασίας: Βασισμένοι σε πρόσφατα δημοσιευμένα αποτελέσματά μας, σύμφωνα με τα οποία είχε δειχθεί ότι οι ανασυνδυασμένες μορφές της α-συνουκλεΐνης και οι φυσιολογικά εκκρινόμενες μορφές αυτής υπόκεινται σε διαφορική πρωτεολυτική πέψη από τηνKLK6, θελήσαμε στην παρούσα μελέτη να διευκρινίσουμε τον φυσιολογικό ρόλο της πρωτεάσης KLK6 στον καταβολισμό της φυσιολογικά εκκρινόμενης α-συνουκλεΐνης. Συνολικά, στόχος της εργασίας αυτής ήταν η μελέτη του ενζύμου KLK6 ως φυσιολογικού ρυθμιστή του καταβολισμού τόσο της εξωκυττάριας όσο και των ινωδών μορφών α-συνουκλεΐνης και κατά επέκταση της μετάδοσης της παθολογίας της νόσου in vivo. Αποτελέσματα: Αρχικά, εφαρμόζοντας in vitro πειραματικές προσεγγίσεις σε κυτταρικά μοντέλα επιβεβαιώσαμε ότι η φυσιολογικά εκκρινόμενη α-συνουκλεΐνη υφίσταται πρωτεολυτική πέψη από την KLK6, ενώ παράλληλα δείξαμε ότι η KLK6 μπορεί να αποικοδομήσει ινώδεις μορφές ανασυνδυασμένης α-συνουκλεΐνης, οι οποίες έχουν βρεθεί να εμπλέκονται στην έναρξη και εξέλιξη της νόσου του Πάρκινσον με μηχανισμούς παρόμοιους με αυτούς των πρωτεϊνών prion. Εν συνεχεία, προκειμένου να επιβεβαιώσουμε τα παραπάνω in vitro αποτελέσματα μας σε πιο παθοφυσιολογικά συστήματα και να προσδιορίσουμε κατά πόσο τα επίπεδα της KLK6 αποτελούν κρίσιμο παράγοντα για την τροποποίηση των επιπέδων της α-συνουκλεΐνης σε in vivo πλέον συνθήκες, αναπτύξαμε ένα νέο ζωικό πρότυπο(knockout) το οποίο αφορά σε ποντίκια με αδρανοποιημένο το γονίδιο Klk6 (Klk6-/-). Για την πλήρη μελέτη του νέου αυτού ζωικού μοντέλου πραγματοποιήσαμε λεπτομερή φαινοτυπική ανάλυση των Klk6-/- ποντικών, η οποία περιελάμβανε τον συμπεριφορικό αλλά και τον βιοχημικό χαρακτηρισμό τους. Πρώτα, έλαβαν χώρα μια σειρά από συμπεριφορικές δοκιμές σε wt και Klk6-/- ποντίκια με σκοπό την αξιολόγηση τόσο των κινητικών όσο και των γνωστικών λειτουργιών τους. Οι δοκιμές για τη μελέτη τυχόν κινητικών δυσλειτουργιών περιελάμβαναν το τεστ αυθόρμητης κινητικής δραστηριότητας σε ανοικτό πεδίο, το τεστ της περιστρεφόμενης ράβδου, τη δοκιμή δοκού, το τεστ πιασίματος λαβής και την ανάλυση αποτυπώματος,ενώ οι γνωστικές συμπεριφορικές δοκιμές περιελάμβαναν τον Υ-λαβύρινθο και το τεστ αναγνώρισης νέων αντικειμένων και νέας τοποθεσίας μέσω όσφρησης. Για τις παραπάνω δοκιμές χρησιμοποιήθηκαν τουλάχιστον 10 ποντίκια ίδιου φύλου ανά ομάδα και πραγματοποιήθηκαν σε ποντίκια ηλικίας 3 και 12 μηνών με σκοπό να εντοπίσουμετυχόν εκφυλισμένες γνωστικές ή κινητικές δραστηριότητες που σχετίζονται με την γήρανση όπως συμβαίνει και με την νόσο του Πάρκινσον. Συνολικά, οι αναλύσεις έδειξαν ότι τα Klk6-/- ποντίκια είναι εμφανώς υγιή και αναπαράγονται φυσιολογικά,ενώ συμπεριφορικά φέρονται παρόμοια με τα wt ποντίκια σε όλες τις παραπάνω δοκιμές με μοναδική εξαίρεση ότι ασκούν λιγότερη δύναμη στη δοκιμή πιασίματος λαβής στην ηλικία των 12 μηνών. Το εύρημα αυτό είναι συμβατό με κινητικά προβλήματα τα οποία ανακαλούν κλινικά χαρακτηριστικά της νόσου του Πάρκινσον.Στη συνέχεια, με βιοχημικές αναλύσεις προσδιορίσαμε τα ενδογενή επίπεδα της α-συνουκλεΐνης στα Klk6-/- ποντίκια. Χρησιμοποιώντας εξειδικευμένα πρωτόκολλα απομονώσαμε τόσο τις διαλυτές όσο και τις αδιάλυτες μορφές της ενδοκυττάριας α-συνουκλεΐνης από περιοχές του εγκεφάλου Klk6-/- και wt ποντικών που σχετίζονται παθολογοανατομικά με την νοσό του Πάρκινσον (εγκεφαλικός φλοιός, μεσεγκέφαλος και ραβδωτό σώμα). Ακολούθως, τα ενδοκυττάρια επίπεδα α-συνουκλεΐνης αναλύθηκαν με ανασοαποτύπωση κατά Western σε διάφορα ηλικιακά στάδια,ξεκινώντας από ποντίκια νεαρής ηλικίας (1 και 3 μηνών) και συνεχίζοντας με ενήλικα (6 και 9 μηνών) και γηρασμένα (13 και 18 μηνών). Ωστόσο, η σύγκριση των ενδοκυττάριων επιπέδων α-συνουκλεΐνης σε διαφορετικά αναπτυξιακά στάδια δεν έδειξε καμία διαφορά ανάμεσα στους εγκεφάλους Klk6-/- και wt ποντικών. Παράλληλα, προσδιορίστηκαν τα επίπεδα της εκκρινόμενης α-συνουκλεΐνης στο ενδιάμεσο υγρό (ISF, interstitial fluid) των εγκεφάλων Klk6-/- και wt ποντικών ηλικίας 12 μηνών χρησιμοποιώντας την τεχνική της in vivo μικροδιαπίδυσης, μέσω της οποίας είναι δυνατή η απομόνωση του ενδιάμεσου υγρού από εγκεφάλους ζωντανών ποντικών. Ο ποσοτικός προσδιορισμός της εξωκυττάριας α-συνουκλεΐνης, ο οποίος έγινε με μια ανοσοχημική μέθοδο υψηλής ευαισθησίας τύπου ELISA εδραιωμένη στο εργαστήριο μας ειδικά για την ανίχνευση α-συνουκλεΐνης σε βιολογικά υγρά, έδειξε ότι τα Klk6-/- ποντίκια εμφανίζουν παρόμοια επίπεδα με αυτά των wt στο ενδιάμεσο υγρό των εγκεφάλων τους. Αφού εξετάσαμε το πώς η έλλειψη της πρωτεάσης KLK6 επηρεάζει τα ενδογενή επίπεδα της α-συνουκλεΐνης στον εγκέφαλο των ποντικών, προχωρήσαμε στον προσδιορισμό του ρόλου της KLK6 στην παθολογική εξέλιξη της νόσου. Για το σκοπό αυτό, χορηγήσαμε εξωγενώς σε πρωτογενείς καλλιέργειες φλοιϊκών νευρώνων,προερχόμενες είτε από Klk6-/- ή wt ποντίκια, ινώδεις μορφές ανασυνδυασμένης α-συνουκλεΐνης. Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι οι μορφές αυτές ενδοκυτταρώνονται από τα νευρικά κύτταρα και διενεργούν τοξικές δράσεις. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσίασε το εύρημα μας ότι απουσία της KLK6, οι τοξικές αυτές μορφές α-συνουκλεΐνης ενδοκυτταρώνονται σε μεγαλύτερο βαθμό από νευρωνικές καλλιέργειες Klk6-/- ποντικών σε σύγκριση με τις wt.Το επόμενο βήμα μας ήταν η χορήγηση των ινωδών μορφών ανασυνδυασμένης α-συνουκλεΐνης σε Klk6-/- και wt ποντίκια με στόχο τη μελέτη της μετάδοσης της παθολογίας απουσία της KLK6 σε in vivo συνθήκες. Οι ενέσεις των τοξικών ινιδίων α-συνουκλεΐνης πραγματοποιήθηκαν στο ραβδωτό σώμα των Klk6-/- και wt ποντικών(Ν=4 ανά ομάδα, 5 μg ινίδια) με στερεοτακτική έγχυση. Δύο μήνες μετά την έγχυση τα ζώα θυσιάστηκαν και ο βαθμός της μετάδοσης της παθολογίας μελετήθηκε με ανοσοϊστοχημικές χρώσεις τομών εγκεφάλου για ολική και φωσφορυλιωμένη α-συνουκλεΐνη, που αποτελεί δείκτη της παθολογικής α-συνουκλεΐνης. Σε αντίθεση με τα in vitro αποτελέσματα μας, παρατηρήσαμε ότι στο in vivo μοντέλο μας η απουσία του ενζύμου KLK6 δεν επιτάχυνε ούτε διευκόλυνε τη μετάδοση των ινιδίων της α-συνουκλεΐνης καθώς ο ρυθμός και η έκταση ανάπτυξης συσσωματωμάτων παθολογικής φωσφορυλιωμένης α-συνουκλεΐνης ήταν παρόμοιος ανάμεσα στα Klk6-/-και wt ποντίκια. Τέλος, για να σχηματίσουμε μια πλήρη εικόνα σχετικά με τη δράση της KLK6 στον καταβολισμό της α-συνουκλεΐνης και κατά συνέπεια στην κάθαρση των παθολογικών μορφών της πρωτεΐνης αυτής, χορηγήσαμε στο ραβδωτό σώμα των εγκεφάλων ποντικών που υπερεκφράζουν μια μεταλλαγμένη παθολογική μορφή α-συνουκλεΐνης (A53T διαγονιδιακά ποντίκια), το ένζυμο KLK6. Η χορήγηση πραγματοποιήθηκε με την τεχνική της ανάστροφης in vivo μικροδιαπίδυσης και εν συνεχεία εξετάσαμε τα επίπεδα της εξωκυττάριας A53T α-συνουκλεΐνης στο ενδιάμεσο υγρό των A53T εγκεφάλων πριν και μετά την έγχυση του ενζύμου. Με την ανοσοχημική μέθοδο υψηλής ευαισθησίας τύπου ELISA ποσοτικοποιήσαμε τα επίπεδα της εκκρινόμενης α-συνουκλεΐνης μετά την χορήγηση KLK6 τα οποία βρέθηκαν να είναι παρόμοια με αυτά πριν την έγχυση. Συμπεράσματα: Συνολικά, η μελέτη αυτή έχει συμβάλλει σε μεγάλο βαθμό στο να διευκρινιστεί ο φυσιολογικός ρόλος του ενζύμου KLK6 στον καταβολισμό της α-συνουκλεΐνης και στην εξέλιξη της παθολογίας στη νόσο του Πάρκινσον. Παρόλο που τα in vitro αποτελέσματά μας έδειξαν ότι τόσο η φυσιολογικά εκκρινόμενη α-συνουκλεΐνη όσο και οι τοξικές ινώδεις μορφές αυτής υφίστανται πρωτεολυτική πέψη από την KLK6, οι in vivo αναλύσεις μας αποκάλυψαν ότι το ένζυμο αυτό δεν αντιπροσωπεύει αναπόσπαστο παράγοντα ρύθμισης των επιπέδων της α-συνουκλεΐνης. Πιο συγκεκριμένα, υπό φυσιολογικές συνθήκες, όπως στο Klk6-/- in vivo μοντέλο της παρούσας μελέτης, είναι πιθανό ότι άλλα μονοπάτια καταβολισμού/επεξεργασίας της α-συνουκλεΐνης μπορεί να αναπληρώνουν την απουσία της δράσης της KLK6, διατηρώντας με αυτόν τον τρόπο την α-συνουκλεΐνη σε φυσιολογικά επίπεδα. Η επιστημονική κοινότητα έχει στρέψει το ενδιαφέρον της προς την πρωτεάση KLK6 ως πιθανό μόριο-στόχο για καινοτόμες θεραπευτικές προσεγγίσεις στη νόσο Πάρκινσον. Ωστόσο, είναι άκρως απαραίτητο μελλοντικές ερευνητικές προσπάθειες να εστιάσουν στην φαρμακολογική αξιοποίηση της KLK6 με στόχο να αυξηθεί η κάθαρση των παθολογικών μορφών της α-συνουκλεΐνης και να ανασταλεί η μολυσματικότητα της πρωτεΐνης υπό φυσιολογικές συνθήκες.