Hydrolaza bleomycyny, metabolizm homocysteiny, epigenetyczna regulacja mTOR, autofagia i choroba Alzheimera
Type
Project
Date Issued
2022
Author
Discipline
biotechnology
Abstract (PL)
Choroba Alzheimera jest najczęstszą wieloczynnikową chorobą neurodegeneracyjną związaną z demencją u osób starszych i stanowi jeden z głównych problemów zdrowia publicznego w społeczeństwach uprzemysłowionych. Choroba ta dotyka dziesiątki milionów osób na całym świecie i charakteryzuje się odkładaniem toksycznych białek, znanych jako β-amyloid (Aβ) i fosfo- (p-)Tau, w miąższu mózgu i mózgowych naczyniach krwionośnych, co powoduje utratę neuronów i upośledzenie funkcji poznawczych. Identyfikacja czynników ryzyka choroby Alzheimera, oraz wyjaśnienie w jaki sposób dochodzi do jej rozwoju, ma szczególne znaczenie dla polityki zdrowia publicznego w naszym społeczeństwie.
Wcześniejsze badania wykazały, że podwyższony poziom homocysteiny (Hcy), jak również obniżona aktywność białka zwanego hydrolazą bleomycyny (BLMH), które usuwa z tkanek organizmu toksyczną substancję zwaną tiolaktonem homocysteiny (HTL), wywołują neuropatyczne zmiany białek w mózgu i są czynnikami ryzyka choroby Alzheimera. HTL jest również niezależnym czynnikiem ryzyka choroby sercowo-naczyniowej, która ma znaczący udział w chorobie Alzheimera. HTL jest toksyczny ponieważ reaguje chemicznie z białkami i uszkadza ich strukturę. Uszkodzone przez HTL białka tworzą złogi, które powodują śmierć komórek i w ten sposób mogą przyczyniać się do rozwoju choroby Alzheimera. Nasze wstępne badania wykazały, że deficyt Blmh i podwyższony poziom HTL powodują aktywację sygnalizacji mTOR, inhibicję procesu usuwania uszkodzonych białek (autofagii), co prowadzi do akumulacji złogów amyloidalnych Aβ w neuronach. Niniejszy projekt opiera się na tych odkryciach, aby zbadać w modelach mysich choroby Alzheimera mechanizmy, poprzez które niedobór BLMH może wpływać na rozwój tej choroby.
Ogólnym celem obecnego projektu jest przetestowanie hipotezy, że BLMH pełni funkcję neuroochronną w mózgu ze względu na jego zdolność do detoksykacji HTL i zapobiegania akumulacji toksycznych agregatów białkowych. W celu weryfikacji tej hipotezy zrealizujemy następujące cele szczegółowe:
(1) Zbadanie wpływu deficytu Blmh na funkcje poznawcze i rozwój cech choroby Alzheimera, używając mysi model (3xTg-AD) z wyłączonym genem Blmh w warunkach dietetycznie podwyższonego poziomu Hcy i kontrolnych poprzez pomiary (1a) sprawności poznawczej i (1b) akumulacji złogów Aβ i pTau w mózgu
Wcześniejsze badania wykazały, że podwyższony poziom homocysteiny (Hcy), jak również obniżona aktywność białka zwanego hydrolazą bleomycyny (BLMH), które usuwa z tkanek organizmu toksyczną substancję zwaną tiolaktonem homocysteiny (HTL), wywołują neuropatyczne zmiany białek w mózgu i są czynnikami ryzyka choroby Alzheimera. HTL jest również niezależnym czynnikiem ryzyka choroby sercowo-naczyniowej, która ma znaczący udział w chorobie Alzheimera. HTL jest toksyczny ponieważ reaguje chemicznie z białkami i uszkadza ich strukturę. Uszkodzone przez HTL białka tworzą złogi, które powodują śmierć komórek i w ten sposób mogą przyczyniać się do rozwoju choroby Alzheimera. Nasze wstępne badania wykazały, że deficyt Blmh i podwyższony poziom HTL powodują aktywację sygnalizacji mTOR, inhibicję procesu usuwania uszkodzonych białek (autofagii), co prowadzi do akumulacji złogów amyloidalnych Aβ w neuronach. Niniejszy projekt opiera się na tych odkryciach, aby zbadać w modelach mysich choroby Alzheimera mechanizmy, poprzez które niedobór BLMH może wpływać na rozwój tej choroby.
Ogólnym celem obecnego projektu jest przetestowanie hipotezy, że BLMH pełni funkcję neuroochronną w mózgu ze względu na jego zdolność do detoksykacji HTL i zapobiegania akumulacji toksycznych agregatów białkowych. W celu weryfikacji tej hipotezy zrealizujemy następujące cele szczegółowe:
(1) Zbadanie wpływu deficytu Blmh na funkcje poznawcze i rozwój cech choroby Alzheimera, używając mysi model (3xTg-AD) z wyłączonym genem Blmh w warunkach dietetycznie podwyższonego poziomu Hcy i kontrolnych poprzez pomiary (1a) sprawności poznawczej i (1b) akumulacji złogów Aβ i pTau w mózgu
(2) Wyjaśnienie mechanizmów, dzięki którym niedobór Blmh może przyspieszyć rozwój choroby Alzheimera, używając mysi model (3xTg-AD) z wyłączonym genem Blmh w warunkach dietetycznie podwyższonego poziomu Hcy i kontrolnych, jak również zmieniając poziomy Hcy i HTL w mysich komórkach nerwiaka niedojrzałego (N2A-APPSwe) w celu zbadania: ( 2a) stresu retikulum endoplazmatycznego, odpowiedzi na rozwinięte białka i apoptozę
(2b) stanu zapalnego i aktywacji odpowiedzi immunologicznej
(2c) epigenetycznej regulacji sygnalizacji mTOR i autofagii.
Projekt ten wyjaśni mechanistyczne powiązania między Blmh, Hcy, sygnalizacją mTOR, autofagią, stanem zapalnym, a strukturalnymi (akumulacja Aβ i p-Tau)/funkcjonalymi (deficyt poznawczy) aspektami patofizjologii chorby Alzheimera, zapewniając w ten sposób nowy wgląd w przyczyny, profilaktykę i leczenie tej choroby.
Projekt ten wyjaśni mechanistyczne powiązania między Blmh, Hcy, sygnalizacją mTOR, autofagią, stanem zapalnym, a strukturalnymi (akumulacja Aβ i p-Tau)/funkcjonalymi (deficyt poznawczy) aspektami patofizjologii chorby Alzheimera, zapewniając w ten sposób nowy wgląd w przyczyny, profilaktykę i leczenie tej choroby.
Abstract (EN)
"Objectives/hypothesis: Alzheimer’s disease (AD), a common neuropathic disorder associated with dementia in the elderly, affects tens of millions people worldwide. Amyloid-β (Aβ) and phospho (p)Tau accumulate in AD brains causing loss of neurons and impairing cognition. As efficacious treatments for AD are not available, identification of AD risk factors and elucidation their mechanism of action has important public health policy implications. Hyperhomocysteinemia (HHcy) and low bleomycin hydrolase (BLMH) activity are emerging risk factors for AD. HHcy is also a risk factor for cardiovascular disease (CVD), which contributes to AD. How BLMH deficiency affects the development/progression of AD is unknown.
We found that BLMH detoxifies Hcy-thiolactone (HTL), a chemically reactive Hcy metabolite, that Blmh-/- mice are overly sensitive to HTL toxicity and show pro-neuropathic changes in their brain proteomes, and that these changes are exacerbated by HHcy. In a large randomized clinical trial, we found that HTL is an independent risk predictor for acute myocardial infarction in CVD patients. We also found that HTL can modify protein lysine residues and generate immunogenic N-Hcy-protein aggregates, which are cytotoxic, and that autoantibodies against HTL-modified protein are associated with impaired cognition. The present project builds on these findings to study mechanisms by which BLMH deficiency and its interaction with HHcy can influence the development of AD.
Our overall goal is to test a hypothesis that BLMH is neuro-protective because it detoxifies HTL and prevents accumulation of toxic protein aggregates. To that end we propose: (1) To examine HTL influence on cognition and AD hallmarks by using Blmh-/-3xTg-AD vs. Blmh+/+3xTg-AD mice and dietary HHcy by quantifying (1a) cognitive performance, and (1b) Aβ and pTau accumulation
We found that BLMH detoxifies Hcy-thiolactone (HTL), a chemically reactive Hcy metabolite, that Blmh-/- mice are overly sensitive to HTL toxicity and show pro-neuropathic changes in their brain proteomes, and that these changes are exacerbated by HHcy. In a large randomized clinical trial, we found that HTL is an independent risk predictor for acute myocardial infarction in CVD patients. We also found that HTL can modify protein lysine residues and generate immunogenic N-Hcy-protein aggregates, which are cytotoxic, and that autoantibodies against HTL-modified protein are associated with impaired cognition. The present project builds on these findings to study mechanisms by which BLMH deficiency and its interaction with HHcy can influence the development of AD.
Our overall goal is to test a hypothesis that BLMH is neuro-protective because it detoxifies HTL and prevents accumulation of toxic protein aggregates. To that end we propose: (1) To examine HTL influence on cognition and AD hallmarks by using Blmh-/-3xTg-AD vs. Blmh+/+3xTg-AD mice and dietary HHcy by quantifying (1a) cognitive performance, and (1b) Aβ and pTau accumulation
(2) To elucidate how Blmh deficiency can accelerate the development of AD by using Blmh-/-3xTg-AD vs. Blmh+/+3xTg-AD mice and mouse neuroblastoma N2A-APPSwe cells to study: (2a) endoplasmic reticulum stress, unfolded protein response, and apoptosis
(2b) inflammation/immune activation
(2c) epigenetic regulation of mTOR signaling and autophagy.
Significance: Understanding Hcy metabolism and consequences of its impairment is essential to prevention and management of AD. This study will elucidate the mechanistic role of Blmh deficiency in AD and provide new insights into the causes, prevention, and treatment of brain pathologies caused by dysregulation of Hcy metabolism.
Methodology: We will use a new mouse model of AD that combines expression of Aβ and pTau with deficiency in HTL metabolism (Blmh-/-3xTg-AD) and N2A-APPSwe cells in which HTL levels will be elevated by silencing Blmh gene. HHcy will be induced by providing 1% Met in drinking water or adding Hcy/HTL to cell media. Each group of mice will contain 8 females and 8 males. Most of the assays to be used in the present project have been developed or adapted in the PI’s lab and validated in numerous publications. We will use the following methods: mouse procedures, behavioral/cognitive testing, cell culture, genotyping, gene silencing, chromatin immunoprecipitation, RT-qPCR, immunohistochemistry, ELISA, fluorescence confocal microscopy, Western blotting, HPLC, and enzymatic assays.
Expected impact on the development of science, civilization and society:
This project will generate fundamental knowledge regarding the role of Blmh, Hcy metabolism, epigenetic regulation of mTOR/autophagy in Aβ/pTau deposition and cognition, and will lead to new insights into the causes, prevention, and treatment of AD. Results from this project will provide material for three PhD theses and two habilitation dissertations.
Significance: Understanding Hcy metabolism and consequences of its impairment is essential to prevention and management of AD. This study will elucidate the mechanistic role of Blmh deficiency in AD and provide new insights into the causes, prevention, and treatment of brain pathologies caused by dysregulation of Hcy metabolism.
Methodology: We will use a new mouse model of AD that combines expression of Aβ and pTau with deficiency in HTL metabolism (Blmh-/-3xTg-AD) and N2A-APPSwe cells in which HTL levels will be elevated by silencing Blmh gene. HHcy will be induced by providing 1% Met in drinking water or adding Hcy/HTL to cell media. Each group of mice will contain 8 females and 8 males. Most of the assays to be used in the present project have been developed or adapted in the PI’s lab and validated in numerous publications. We will use the following methods: mouse procedures, behavioral/cognitive testing, cell culture, genotyping, gene silencing, chromatin immunoprecipitation, RT-qPCR, immunohistochemistry, ELISA, fluorescence confocal microscopy, Western blotting, HPLC, and enzymatic assays.
Expected impact on the development of science, civilization and society:
This project will generate fundamental knowledge regarding the role of Blmh, Hcy metabolism, epigenetic regulation of mTOR/autophagy in Aβ/pTau deposition and cognition, and will lead to new insights into the causes, prevention, and treatment of AD. Results from this project will provide material for three PhD theses and two habilitation dissertations.