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: 10401873
• 负责人: Vikram Khurana
• 金额: $ 74.36万
• 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/10401873
• 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.

概括  阿尔茨海默氏病 (AD) 和 AD 相关痴呆症 (ADRD) 是无法预防、无法治愈的，而且病情仍然很严重  明白了。 他们的标志性病理学包括子集中特征性“内含物”中错误折叠的蛋白质  大脑的神经元和神经胶质细胞。 膜相关蛋白 α-突触核蛋白 (αS) 的错误折叠是核心  至 ADRD。 皮质和多巴胺能 (DA) 神经元中富含 αS 的包涵体是痴呆症的标志性病变  路易体 (DLB) 和帕金森病伴痴呆 (PDD)。 但 αS 夹杂物也存在于 >50%  AD 病例中，与认知能力下降相关，并且经常与 tau 病理共定位。  αS 病理学是  惊人的异质性并且人们对其知之甚少。  常见的 αS 病理包括富含囊泡的“苍白体”  (PB)、富含淀粉样蛋白的路易体 (LB) 或这些的组合。    PB 确实已被讨论为  LB 的前体，但是什么产生了 PB 以及它们如何转化为 LB 仍然是个谜。  这  PB 和 LB 的超微结构特征与淀粉样蛋白和囊泡领域的巨大兴趣相似 贩卖帕金森症中的病症。 在实验环境中，用预先形成的原纤维播种神经元会导致 LB- 就像淀粉样蛋白聚集体一样。  这些聚集体在某些条件下可以扩散并在相邻区域自我模板化  细胞。 不同的淀粉样蛋白纤维构象（“菌株”）会导致不同的神经变性模式，并具有不同的  磷酸化 αS 和 tau 的水平。  人类遗传学研究多次表明囊泡受到干扰  运输和（膜）脂质稳态是不同形式的 ADRD 的基本和统一特征。  我们假设改变细胞，尤其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 的毒性和聚集可以通过改变细胞脂肪酸来调节  通过操纵葡萄糖脑苷脂酶 (GBA) 和硬脂酰- (FA) 饱和度或鞘脂 (SL) 组合物 分别是 coA 去饱和酶 (SCD)。  我们建议剖析这些途径对 PB 和 LB 的影响  与疾病最相关的患者来源的诱导多能干细胞 (iPSC) 的形成和转变  模型。  重要的是，我们将采用患者脑源性“种子”作为神经元 αS 最相关的触发器  聚合。 使用患者特异性细胞类型和错误折叠的蛋白质构象异构体将使我们能够捕获  “在盘子里”神经变性毒性方程式的两边。  我们认识到其重要性，但也  尸检终末期病理学在描述疾病机制方面的局限性，并建议建立  体外测定、人类诱导多能干细胞 (iPSC) 模型和尸检之间的互相关  脑组织。 我们将重点关注源自患有家族性和散发性突触核蛋白病患者的 iPSC，这些患者  与死后大脑相匹配，包括伴有 AD（β-淀粉样蛋白和 tau）病理水平的病例。 我们的  方法不仅有望揭示 ADRD 中淀粉样蛋白菌株的形成和后果，而且  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。