Universität zu Köln

Saghafi, Sam (2008). Bifunctional Roles for Two Topological Isoforms of the Cellular Prion Protein. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The physiological function of the cellular prion protein (PrPC) and its contribution to prion diseases remains enigmatic as evidence suggests both pro- and anti-apoptotic functions. The data presented here suggest PrPC is expressed in two topological isoforms with unique functional manifestations and with the participation of both in the pathogenesis of prion disease. Expression of two topological isoforms were identified in wild type mice, a fully secreted isoform, designated SecPrP and a small fraction as a single spanning transmembrane isoform designated CtmPrP. By introducing mutations that favor expression in either SecPrP or CtmPrP the functional role of each form was dissected. Transgenic mice that favor CtmPrP expression develop spontaneous neurodegeneration with evidence of apoptotic cell death. Further investigation in cultured mammalian cells identified a Bax and caspase-3 dependant pathway by which CtmPrP triggers apoptosis in a dose dependant manner. In contrast, SecPrP reveals a protective role against apoptosis as seen in the hippocampus of transgenic mice challenged with kainic acid which otherwise leads to dramatic cell death by increased oxidative stress. The observation was made that CtmPrP favoring mice are most vulnerable to kainic acid mediated neurodegeneration where as SecPrP favoring mice are the least vulnerable to the same treatment. The protective role of SecPrP against oxidative stress was confirmed in cultured mammalian cells and primary cultured neurons. Finally, the contribution of each isoform was assessed in mice inoculated with prions (PrPSc). Mice favoring expression in the CtmPrP form developed symptoms at ~50 days and showed focal accumulation of PrPSc and neurodegeneration proximal to the inoculation site with indications of both apoptotic and oxidative stress related degeneration. Mice favoring expression in the SecPrP form develop symptoms at ~320 days with accumulation of PrPSc throughout the brain yet only show signs of oxidative stress related damage. In conclusion, evidence is provided that wild type PrPC has the intrinsic capacity to be expressed as either SecPrP or CtmPrP and that each isoform can partake in independent pathways. SecPrP participates in a neuroprotective pathway against oxidative stress whereas CtmPrP activates a caspase-3 dependant apoptotic pathway. Further evidence suggests that both isoforms participate in the etiology of infectious prion disease: upregulation of CtmPrP which leads to apoptosis and conversion of SecPrP to PrPSc and its down regulation lead to a higher susceptibility to oxidative stress, thus being able to reconcile how both gain and loss of PrPC functions may occur.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Bifunktionalle Rollen von zwei topologischen Isoformen des Zellulaeren Prion Proteins German
Translated abstract:	Abstract Language Prionen sind infektiöse Eiweisse, die fatale neurodegenerative Erkrankungen in Säugetieren hervorrufen können. Es wird angenommen, dass die pathologische Isoform das sogenannte PrPSc die Umfaltung der zellulären Isoform des Prion-Proteins (PrPC) in weitere krankheitserregnde PrPSc katalysiert. Es gibt jedoch Indizien die darauf hindeuten, dass PrPC an der Erkrankung beteiligt ist und das PrPSc nicht unmittelbar zur Neurodegeneration beiträgt. Ein Modell des zellbiologischen Krankheitsverlaufs geht davon aus, dass PrPC toxische Aktiviät besitzt, ein anderes Modell geht davon aus, dass der Verlusst von PrPC und seiner neuroprotektiven Aktivität für die Symptome verantwortlich ist. Die Entdeckung zweier unterschiedlicher isoformen von PrPC könnte nun beide Modelle vereinen. In vitro Analyse der PrPC-Synthese zeigt, dass PrPC in drei topologische Isoformen synthetisiert werden kann. Zwei dieser Isoformen durchspannen die Zellmembran in entgegengesetzter Orientierung, eine mit dem C-terminus (CtmPrP), die andere mit dem N-terminus (NtmPrP) im Zytoplasma.und die dritte Form ist ein sekretiertes Protein (SecPrP). In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, ob die Funktion von PrPC von seiner Faltung abhaengt. Zuerst konnte gezeigt werden, dass unter physiologischen Bedingungen sowohl SecPrP als auch CtmPrP in vivo exprimiert werden. Um Erkentnisse über die Funktion der jeweiligen Isoform zu erhalten wurden Mausmodelle und Zellkultumodelle untersucht, die bevorzugt jeweils SecPrP oder CtmPrP expremieren. Mit Hilfe dieser Modelle konnte ich eine pro-apoptotische Aktivität von CtmPrP nachweisen, die sich unter Mitwirkung der Proteine Bax und Caspase-3 vollzieht. Ich konnte auch zeigen, dass die Proteine Bcl-2 und Bcl-XL der apoptotischen Aktiviät von CtmPrP entgegen wirken können. Darueberhinaus zeigte sich, dass ohne CtmPrP eine verringerte Apoptose in Gehirnregionen mit Neurogenese vorliegt. Deshalb liegt die Vermutung nahe, dass CtmPrP die Entstehung neuronaler Vorläuferzellen regelt. Im Gegensatz zu CtmPrP zeichnet sich SecPrP durch eine neuroprotektive Funktion aus, die vor oxidativer Schädigung schützt. Die Isoform SecPrP schützt Pyramidal-Zellen des Hippokampus vor Apoptose die durch erhöhte oxidative Schädigung hervorgerufen wird. Die Daten lassen die Schlussfolgerung zu, dass sowohl CtmPrP als auch SecPrP physiologische Funktionen besitzen. Pathophysiologisch manifestieren sich diese zellbiologischen Prozesse wie folgt: Mäuse die hauptsächlich CtmPrP exprimieren erkranken wesentlich schneller, wiesen weniger PrPSc auf, und zeigten sowohl apoptotische als auch oxidative Neurodegeneration. Hingegen erkranken Mäuse, die hauptsächlich SecPrP exprimieren wesentlich später, trotz weit verbreiteter PrPSc Akkumulation und ohne Anzeichen für Apoptose. Die Daten lassen die Schlussfolgerung zu, dass in infektiösen Prionen-Erkrankungen CtmPrP die Apoptose einleitet, und das SecPrP durch die Umwandlung zu PrPSc seine schützende Funktion verliert. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Saghafi, Sam sam.saghafi@ucsf.edu UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-22374
Date:	2008
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Prion protein , Biokonformation , Neurodegeneration , CtmPrP , SecPrP German prion protein , bioconformatics , neurodegeneration , CtmPrP, SecPrP English
Date of oral exam:	13 January 2008
Referee:	Name Academic Title Howard, Jonathan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2237