Elucidating the biological differences between distinct fibrillar and non-fibrillar alpha-synuclein inclusions in human stem-cell models

阐明人类干细胞模型中不同纤维状和非纤维状 α-突触核蛋白内含物之间的生物学差异

• 批准号: 10206276
• 负责人: Vikram Khurana
• 金额: $ 107.35万
• 依托单位: BRIGHAM AND WOMEN'S HOSPITAL
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2020-07-01 至 2025-04-30
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/10206276
• 关键词: Affect; Affinity; Alzheimer' s Disease; Alzheimer' s disease related dementia; Amyloid; Amyloid beta-Protein; Amyloid fibers; Autopsy; Biochemical; Biological; Brain; Cell Line; Cell model; Cells; Ceramides; Characteristics; Circular Dichroism Spectroscopy; Coculture Techniques; Data; Dementia with Lewy Bodies; Development; Diffuse; Disease; Electron Microscopy; Equation; Fatty Acids; Fluorescence; Future; Genetic study; Glucosylceramides; Goals; Grant; Homeostasis; Human; Human Genetics; Image; Immunofluorescence Microscopy; Impaired cognition; In Vitro; Intervention; Knock-in; Knock-out; Lead; Lesion; Lewy Bodies; Lewy body pathology; Light; Lip structure; Lipids; Membrane; Membrane Lipids; Membrane Proteins; Modeling; Morphology; Multiple System Atrophy; Mutation; Nerve Degeneration; Neuroglia; Neurons; Nuclear Magnetic Resonance; Oligodendroglia; Parkinson' s Dementia; Pathogenicity; Pathology; Pathway interactions; Patients; Pattern; Periodicity; Pharmacology; Physiological; Proteins; Proteolysis; Reporter; Seeds; Series; Side; Sphingolipids; Stearoyl-CoA Desaturase; Synaptic Vesicles; System; Testing; Toxic effect; Transgenic Mice; Transgenic Organisms; Vesicle; Work; alpha synuclein; amyloid fibril formation; amyloid formation; brain cell; brain tissue; cell type; cerebral atrophy; conformer; dopaminergic neuron; experimental study; genetic manipulation; glucosylceramidase; human stem cells; in vitro Assay; in vivo; induced pluripotent stem cell; interest; kindred; mimetics; misfolded protein; mouse model; pre-formed fibril; protein aggregation; serial imaging; stem cell model; synucleinopathy; tau Proteins; tau-1; trafficking; validation studies

Summary  Alzheimer’s  disease  (AD)  and  AD  related  dementias  (ADRD)  are  unpreventable,  incurable  and  remain  poorly  understood. Their hallmark pathology consists of misfolded proteins in characteristic “inclusions” within subsets  of neurons and glial cells of the brain. Misfolding of the membrane-­associated protein α-­synuclein (αS) is central  to ADRD. Inclusions rich in αS in cortical and dopaminergic (DA) neurons are the hallmark lesions of dementia  with Lewy bodies (DLB) and Parkinson disease with dementia (PDD). But αS inclusions are also found in >50%  of  AD  cases,  correlating  with  cognitive  decline  and  frequently  colocalizing  with  tau  pathology.  αS  pathology  is  strikingly  heterogeneous  and  poorly  understood.  Common  αS  pathology  comprises  vesicle-­rich  “pale  bodies”  (PBs),  amyloid-­rich  Lewy  bodies  (LBs),  or  combinations  of  these.    PBs  have  indeed  been  discussed  as  precursors  of  LBs,  but  what  gives  rise  to  PBs  and  how  they  may  convert  into  LBs  remains  enigmatic.  The  ultrastructural  features  of  PBs  and  LBs  parallel  enormous  interest  in  the  field  in  both  amyloid  and  vesicle-­ trafficking pathologies in PD. In experimental settings, the seeding of neurons with pre-­formed fibrils leads to LB-­ like  amyloid aggregates.  These  aggregates  can  under  certain  conditions  spread and  self-­template  in adjacent  cells. Different amyloid fiber conformers (“strains”) lead to different patterns of neurodegeneration, with differing  levels  of  phosphorylated  αS  and  tau.  Human  genetic  studies  have  repeatedly  implicated  perturbed  vesicle  trafficking and (membrane) lipid homeostasis as a fundamental and unifying feature in disparate forms of ADRD.  We  hypothesize  that  altered  cellular,  and  especially  lipid,  microenvironments  can trigger  αS  amyloid  formation  and the development of different strains and pathologies. An increasing body of evidence, including work from  our  groups,  indeed  suggests  that  αS  toxicity  and  aggregation  can  be  modulated  by  altering  cellular  fatty  acid  (FA) saturation or sphingolipid (SL) composition through manipulation of glucocerebrosidase (GBA) and stearoyl-­ coA  desaturase  (SCD),  respectively.  We  propose  to  dissect  the  influence  of  these  pathways  on  PB  and  LB  formation  and  transition  in  the  most  disease-­relevant  patient-­derived  induced  pluripotent  stem  cell  (iPSC)  models.  Importantly,  we  will  employ  patient  brain-­derived  “seed”  as  the  most  relevant  trigger  for  neuronal  αS  aggregation. The use of both patient-­specific cell types and misfolded protein conformers will allow us to capture  “in  the  dish”  both sides  of  the  toxic  equation  in  neurodegeneration.  We  recognize  the  importance,  but  also  the  limitations,  of  postmortem  end-­stage  pathology  in  delineating  disease  mechanisms,  and  propose  to  establish  cross-­correlation between in vitro assays, human induced pluripotent stem cell (iPSC) models and postmortem  brain tissue. We will focus on iPSCs derived from patients with familial and sporadic synucleinopathies that are  matched to postmortem brain, including cases with concomitant levels of AD (β-­amyloid and tau) pathology. Our  approaches not only promise to shed light on the formation and consequences of amyloid strains in ADRD, but  will also point at potential interventions centered around the transient interaction of αS with lipid membranes.

总结 阿尔茨海默病（AD）和AD相关痴呆（ADRD）是不可预防、不可治愈的， 他们的标志性病理学包括亚群内特征性“内含物”中的错误折叠蛋白质 膜结合蛋白α-突触核蛋白（αS）的错误折叠是脑神经元和神经胶质细胞的重要组成部分。 皮质和多巴胺能（DA）神经元中富含αS的包涵体是痴呆的标志性病变 路易体（DLB）和帕金森病伴痴呆（PDD）患者中也发现αS包涵体，但αS包涵体也见于>50% AD病例中，与认知能力下降相关，并经常与tau病变共定位。 常见的αS病理包括富含囊泡的“苍白小体”， (PBs)、富含淀粉样蛋白的路易体（LB）或这些的组合。 PB确实被讨论为 但是，是什么产生了PB以及它们如何转化为LB仍然是个谜。 PB和LB的超微结构特征与淀粉样蛋白和囊泡的研究领域的巨大兴趣相平行 在实验环境中，用预先形成的原纤维接种神经元导致LB-1表达。 这些聚集体在一定条件下可以在邻近的细胞中扩散和自我复制模板。 不同的淀粉样蛋白纤维构象（“品系”）导致不同的神经变性模式，具有不同的神经变性。 磷酸化的αS和tau蛋白水平。人类遗传学研究反复暗示受干扰的囊泡 运输和（膜）脂质稳态作为不同形式ADRD的基本和统一特征。 我们假设改变的细胞微环境，特别是脂质微环境，可以触发αS淀粉样蛋白的形成 以及不同菌株和病理的发展。越来越多的证据，包括来自 我们的研究小组，确实表明αS毒性和聚集可以通过改变细胞脂肪酸来调节， (FA)通过操纵葡糖脑苷脂酶（GBA）和硬脂酰-β-葡糖苷酸来饱和或鞘脂（SL）组合物 我们拟分别分析这些途径对PB和LB的影响， 在大多数疾病相关的患者中，诱导多能干细胞（iPSC）的形成和转化 重要的是，我们将采用患者脑源性“种子”作为神经元αS最相关的触发因子。 使用患者特异性细胞类型和错误折叠的蛋白质构象将使我们能够捕获 “在菜”双方的毒性方程在神经变性。我们认识到的重要性，但也 的局限性，死后终末期病理学在描绘疾病机制，并建议建立 体外试验、人诱导多能干细胞（iPSC）模型和尸检之间的交叉相关性 我们将重点关注来自家族性和散发性突触核蛋白病患者的iPSC， 与死后脑组织相匹配，包括伴有AD（β-淀粉样蛋白和tau蛋白）病理学水平的病例。 这些方法不仅有望阐明ADRD中淀粉样蛋白菌株的形成和后果， 还将指出围绕αS与脂质膜的瞬时相互作用的潜在干预措施。