Changes in gene expression during delayed neuronal death after cerebral ischemia in the rat

Abstract

After transient global cerebral ischemia, selected populations of neurons in the brain will die after a period of 2-3 days, a phenomenon termed delayed neuronal death. This is of clinical importance as delayed neuronal death has been found to occur in humans as well. The mechanism that kills a neuron 2-3 days after the initial insult is unclear, but transcriptional steps have been implicated. The aim of this thesis work was to study some of the changes in gene expression after transient global ischemia in the rat and to find a transcriptional pattern that correlated with neuronal death. The results show that: most changes in gene expression found to occur after ischemia, take place in neurons that survive the insult as well as neurons destined to die. This suggests that these changes are related to stress rather than a specific death mechanism. This included genes that have been shown to be important in neuronal death, e.g. p53. using differential display PCR we found the specific induction of an endogenous provirus in neurons destined to die. The expression of this retrovirus correlated exceptionally well with death, suggesting that the mechanisms that regulate the expression of the provirus may be involved in the regulation of neuronal death after ischemia.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Hur dör neuron (hjärnceller) ? Det finns en mängd anledningar till varför neuron i hjärnan dör, olyckor med skallskador, neurodegenerativa sjukdomar såsom vid Parkinsons eller Alzheimers sjukdom eller efter förgiftningar. Den vanligast anledningen är dock stroke (slaganfall), dvs en akut förlust av blodförsörjningen till en del av hjärnan. Orsaken till stroke kan vara en blödning i hjärnan eller en propp i blodkärlen som försörjer hjärnan. Konsekvensen blir i bägge fallen att blodförsörjningen till vävnaden bryts och tillförseln av syrgas och glukos upphör. Neuron har små energireserver, och förlorar snabbt förmågan att upprätthålla jonpotentialerna över cell membranet. I och med detta startar skademekanismerna: Na+, Cl- och Ca2+ joner strömmar in i cellen som sväller pga det ökade osmotiska trycket, proteiner bryts ned, själva cellmembranet börjar brytas ned, osv. Återställs inte blodflödet och energiförsörjningen i tid, kommer cellen formligen att explodera och dö akut. Om blodflödet återställs kan dock neuronet återhämta sig. Vissa neuron i hjärnan är särskilt känsliga för ischemi (brist på blodförsörjning). Efter övergående ischemi, t.ex. kort hjärtstillestånd, finner man att vissa grupper av neuron i hjärnan dör, men inte direkt, utan först efter ett par dagar. Denna typ av försenad neuronal celldöd är kliniskt intressant, eftersom man ser försenad celldöd vid stroke, skallskador och neurodegenerativa sjukdomar. Anledningen till att neuron dör akut, eller efter flera dagar, är bristen på blodtillförsel, men hur dom dör, skiljer sig åt. Denna avhandling behandlar frågan hur neuron dör vid försenad celldöd efter en övergående period av ischemi.



Mekanismerna som orsakar försenad neuronal död efter övergående ischemi, är okända. Det finns experimentella fynd som pekar på att förändringar i genuttrycket orsakar celldöden, och neuron genomgår massiva förändringar i genuttrycket efter ischemi. Hur kan förändringar i genuttrycket orsaka celldöd? Det finns gener som har visats aktivt döda neuron ; p53, Bax och caspase-3. Eftersom dessa gener också uppregleras efter ischemi, har de föreslagits reglera den försenade celldöden.



Avhandlingsarbetet rör förändringar i genuttrycket i en modell av försenad neuronal död i råtta. Vi har studerat olika klasser av gener; transkriptionsfaktorer vilka är proteiner som reglerar uttrycket av andra gener, tumörsuppressorer som har visats vara involverade i genreglerad celldöd i olika system, stressreglerade gener som skyddar neuron efter skada samt signal-transduktionsproteiner som förmedlar signalering i cellen. Vi har också använt en molekylärbiologisk metod som parallellt jämför genuttrycket mellan olika prover (differential display PCR) för att finna gener som företrädesvis uttrycks i döende neuron. En svårighet med att studera förändringar i genuttrycket efter ischemi är att neuron reagerar på stress, vare sig de kommer att dö eller inte. Därför kommer förändringar i genuttrycket efter ischemi att innefatta gener som är involverade i en stressreaktion, samt gener som eventuellt reglerar celldöden.



För att skilja på dessa gener, har vi använt hypoterm ischemi och jämfört med normotherm ischemi. I hypoterm ischemi sänks temperaturen på råttan till 33°C under själva ischemiperioden (15 min). Detta leder till kraftigt reducerad neuronal död. Vi jämför alltså neuron som blivit stressade, men överlever (hypoterm ischemi) med neuron som blivit stressade, och dör (normotermi ischemi).



Resultaten visade att de flesta förändringarna i genuttryck efter ischemi sker i överlevande såväl som i döende neuron. Av detta kan man dra slutsatsen att förändringarna antagligen är del av en stressreaktion, snarare än del av en specifik dödsmekanism. Detta inkluderade även p53.



Med differential display PCR fann vi emellertid en gen vars uttryck korrelerade väl med celldöd. Den uttrycktes i döende neuron, men inte, eller knappt detekterbart, i neuron som överlevde ischemin. Genen visade sig koda för ett endogent retrovirus, som finns latent i arvsanlagen på råtta. Vi fann även produktion av virala proteiner samt viruspartiklar i döende neuron efter ischemi. Korrelationen mellan uttrycket av virusgenen och celldöden antyder ett kausalt samband, men konsekvenserna av virusproduktion i dessa neuron är ännu okända. Studien bevisar dock att det finns skillnader i genuttrycket mellan döende och överlevande neuron efter ischemi. Den process som reglerar aktiveringen av virusgenen kan vara ansvarig för att utlösa celldöden, och genom att undersöka hur virusgenen regleras kan vi således börja beskriva denna process. Kunskap om hur neuronal celldöd utlöses på genregleringsnivå kan i framtiden förhoppningsvis ge fler möjligheter att farmokologiskt ingripa för att rädda neuron efter cerebrala insulter.

• author: Kamme, Fredrik
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Morgan, James
• organization: Wallenberg Neuroscience Centre, Lund
• publishing date: 1998
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurosciences
• keywords: neuropsychology, Neurology, ischemia, brain, neuronal death, gene expression, neurophysiology, Neurologi, neuropsykologi, neurofysiologi
• pages: 136 pages
• defense location: Segerfalk room, Wallenberg Neuroscience Center
• defense date: 1998-05-28 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEXB--1018--SE
• ISBN: 91-628-2994-7
• language: Swedish
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Experimental Brain Research (0131000120)
• id: 39541f0a-105e-4f19-ac25-6365da2fdb8b (old id 38721)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:35:16
• date last changed: 2018-11-21 20:59:38