The Complex Genetics behind Neurodegeneration and Susceptibility to Parkinson’s disease

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disorder and affects over 1% of people above the age of 65. This progressive and debilitating disease is usually thought of as a motor disease, with symptoms such as muscle rigidity, slowness of movement, and tremor at rest.
PD can be familial, where a single inherited gene mutation causes the disease, but most cases of PD (90%) are idiopathic and complex, with both genetic and environmental components contributing to disease etiology. Both forms are characterized by degeneration of dopaminergic neurons in the midbrain and by the accumulation of a protein called alpha-synuclein (α-syn) inside neurons. The complexity of idiopathic PD makes it challenging to have a full understanding of its possible causes. Current treatments can only temporarily alleviate symptoms by compensating for the loss of dopamine, but do nothing to slow the progression of the disease. Therefor, there is a need for new therapeutic strategies that can halt, or even prevent disease progression. In order to achieve this, a better understanding of the genetic risk factors contributing to PD is necessary.
This thesis is aimed at reaching this goal by investigating genetic susceptibility to neurodegeneration in three different rodent models modeling idiopathic PD, with naturally-occurring variation as a key factor.
We first explored differences between six rat strains after exposure to PD-like conditions produced by overexpression of α-syn in the substantia nigra pars compacta to determine strain-dependent susceptibility to neurodegeneration. Our results do indeed show differences among strains in response to this model, both in terms of dopaminergic cell loss and in terms of movement behavior. We can therefor conclude that there are genetic risk factors involved in the susceptibility to α-syn accumulation in these rats, and further genetic analyses can be used to determine such factors.
Then we applied a method called linkage analysis to determine which loci are responsible for the phenotypic difference between two mouse strains that have a partial knockout of Engrailed 1, a gene important for dopaminergic neuron survival. We were able to find several quantitative trait loci (QTLs) determining susceptibility to this model, and will be able to further investigate these loci to find candidate genes.
Finally, we used a congenic rat strain to study whether a specific QTL (Vra1), which had been discovered in previous studies as being protective after nerve injury, could protect rats from dopaminergic neurodegeneration induced by two different PD models: the toxin-induced neurodegenerative model, and the α-syn overexpression model. Our results show that the congenic strain suffers less dopaminergic cell loss in both these models, indicating that Vra1 is protective. We also found higher expression levels of the Gsta4 gene in the congenics, suggesting that one or more polymorphisms within and near this gene are likely regulating susceptibility to neurodegeneration.
Overall, the results gathered in this thesis have given us enough information to pursue translational studies investigating PD patient and control cohorts that are part of the biobank at Lund University (Sweden).

Abstract (Swedish)

Parkinsons sjukdom (PS) är den näst vanligaste neurodegenerativa sjukdomen efter Alzheimers sjukdom och drabbar över 1 % av personer över 65 år. Även om denna progressiva och försvagande sjukdom brukar anses vara en motorsjukdom, med symtom som stelhet, långsamma rörelser och vilotremor, så påverkas också icke-motoriska funktioner som sömn, kognition och mag-tarmfunktion. Dessa symtom förekommer vanligen innan de motoriska symptomen och är ofta förbisedda.
PS kan vara familjär, där en enskild ärftlig genmutation orsakar sjukdomen, men de flesta fall av PS (90 %) är idiopatiska och komplexa, där komponenter från både genetik och miljö bidrar till sjukdomen. Båda formerna kännetecknas av förlust av dopaminerga nervceller i mitthjärnan och av ackumulering av ett protein som kallas alfa-synuclein (α-syn) inuti nervceller. Dessa klumpar av protein kallas Lewy-kroppar och leder troligen till att nervcellerna inte fungerar som de ska och slutligen förlorar sin förmåga att producera dopamin, en signalsubstans som är nödvändig för regleringen av kroppsrörelser. Eftersom idiopatisk PS är komplex är det svårt att få en fullständig förståelse orsakerna till sjukdomen. När det gäller miljökomponenter som ökar risken för PS är vissa, så som exponering för bekämpningsmedel, väl etablerade. När det gäller genetiska faktorer har hittills 41 olika genetiska variationer identifierats som kan öka sjukdomsrisken.
Nuvarande behandlingar kan bara tillfälligt lindra symptom genom att kompensera för förlusten av dopamin, men gör ingenting för att sakta ner det underliggande sjukdomstillståndet. Därför finns det behov av nya terapeutiska strategier som kan stoppa eller till och med förhindra utvecklingen av denna sjukdom. En väg mot att uppnå detta är att få en bättre förståelse för de genetiska riskfaktorerna som bidrar till PS.
Denna avhandling syftar till att uppnå detta mål genom att undersöka genetisk känslighet för neurodegeneration i tre olika djurmodeller som efterliknar idiopatisk PS, med genetisk variation som nyckelfaktor. Att studera genetiska riskfaktorer för sjukdomar i djurmodeller innebär flera steg och metoder. Ett inledande tillvägagångssätt innefattar att definiera fenotypiska skillnader mellan djurstammar under kontrollerade miljöförhållanden, eftersom djur varierar i känslighet för neurodegenerering, precis som människor gör. I denna avhandling undersöker vi skillnaden mellan sex råttstammar efter exponering för PS-liknande tillstånd vilka produceras genom överuttryck av α-syn i mitthjärnan. Våra resultat visar på skillnader i utfall för denna modell hos de olika stammarna, både när det gäller cellförlust och när det gäller motorisk symptom. Vi kan därför dra slutsatsen att det finns genetiska faktorer som är involverade i mottagligheten för ackumulering av α-syn hos dessa råttor.
Nästa steg i identifieringen av genetiska riskfaktorer innebär att ta information från studier om stamskillnader och gräva djupare in i genetiken som avgör dessa skillnader. Vi tillämpade metoden kopplingsanalys för att bestämma vilka genregioner som är ansvariga för den lägre känsligheten hos C57B16-möss jämfört med SwissOF-möss för att förlora en av två kopior av Engrailed 1 (En1), en gen som är viktig för överlevnad av dopaminerga nervceller. Vi lyckades hitta flera regioner som avgör denna känslighet, och dessa regioner reglerade en eller flera aspekter av PS-lik sjukdom.
Kopplingsanalys identifierar genetiska regioner, men andra metoder är nödvändiga för att studera vilka gener, proteiner och processer som ligger bakom den genetiska kopplingen. Användningen av kongena stammar (stammar som genereras för att isolera loci som hittas genom kopplingsanalys) är ett sådant verktyg. Vi använde en kongen råttstam för att studera huruvida en specifik genetisk region, som tidigare funnits skyddande efter nervskada, skyddar råttor från dopaminerg nervcellsdöd inducerad av två olika PS-modeller: en toxinmodell, och en modell med överuttryck av α-syn. Våra resultat visar att den kongena stammen drabbas av mindre dopaminerg cellförlust i båda dessa modeller, vilket indikerar att denna region är skyddande. Vi hittade också högre uttrycknivåer av en genen Gsta4 hos kongenerna, vilket tyder på att variationer inom eller nära denna gen sannolikt är ansvariga för skillnader i känslighet för PS-lik sjukdom.
Övergången från djurmodeller till humana prover, så kallade translationella studier, är ett viktigt steg för att bestämma genetiska riskfaktorer för PS. Sammantaget har resultaten i denna avhandling givit oss tillräckligt med information för att genomföra translationella studier i en kohort med PS-patienter och kontrollpersoner vilka ingår i biobanken vid Lunds universitet. Från vår musstudie har vi valt kandidatgener från regionerna identifierade med kopplingsanalys; från våra råttstudier har vi identifierat Gsta4 som en gen av intresse. Förekomsten av variationer i dessa gener kommer jämföras mellan PS-patienter och friska individer för att avgöra om de ökar risken att drabbas av PS.

• author: Jewett, Michael
• supervisor: Maria Swanberg; Tomas Björklund; Dan Holmberg
• opponent: associate professor Hedlund, Eva, Karolinska Institutet, Sweden
• organization: Translational Neurogenetics (research group); MultiPark: Multidisciplinary research focused on Parkinson´s disease
• publishing date: 2017
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurosciences
• keywords: Parkinson’s Disease, α-synuclein, Dopaminergic Neurons, Susceptibility, GSTA4, Vra1, rAAV, 6-OHDA, En1, Linkage analysis, Congenic strains, Axonal swellings, QTL, Risk factors, Neuroprotection, Astrocytes
• pages: 87 pages
• defense location: Segerfalksalen, BMC A10, Sölvegatan 17 i Lund
• defense date: 2017-12-08 13:15:00
• ISBN: 978-91-7619-562-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: ISSN: 1652-8220 Lund University, Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series 2017:180
• id: 8ba0ccb6-772a-4d33-8949-6309c9571246
• date added to LUP: 2017-11-13 14:58:05
• date last changed: 2019-11-19 13:50:02