Universität zu Köln

Wang, Shuaiyu (2016). Neurodegeneration and the m-AAA protease: pathogenic cascades in neurons and myelinating cells. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The m-AAA protease is a hexameric complex involved in processing of specific substrates and turnover of misfolded polypeptides in the mitochondrial inner membrane. In humans, the m-AAA protease is composed of AFG3L2 and paraplegin. Mutations in AFG3L2 have been implicated in dominant spinocerebellar ataxia (SCA28) and recessive spastic ataxia-neuropathy syndrome (SPAX5). Mutations of SPG7, encoding paraplegin, are linked to hereditary spastic paraplegia. In the mouse, a third subunit AFG3L1 is expressed. Various mouse models recapitulate the phenotype of these neurodegenerative disorders, however, the pathogenic mechanism of neurodegeneration is not completely understood. Here, we studied several mouse models and focused on cell-autonomous role of the m-AAA protease in neurons and myelinating cells. We show that lack of Afg3l2 triggers mitochondrial fragmentation and swelling, tau hyperphosphorylation and pathology in Afg3l2 full-body and forebrain neuron-specific knockout mice. Moreover, deletion of Afg3l2 in adult myelinating cells causes early-onset mitochondrial abnormalities as in the neurons, but the survival of these cells is not affected, which is a contrast to early neuronal death. Despite the fact that myelinating cells have been previously shown to survive respiratory deficiency by glycolysis, total ablation of the m-AAA protease by deleting Afg3l2 in an Afg3l1 null background (DKO), leads to myelinating cell demise and subsequently progressive axonal demyelination. Interestingly, DKO mice show premature hair greying due to loss of melanoblasts. Together, our data demonstrate cell-autonomous survival thresholds to m-AAA protease deficiency, and an essential role of the m-AAA protease to prevent cell death independent from mitochondrial dynamics and the oxidative capacity of the cell. Thus, our findings provide novel insights to the pathogenesis of diseases linked to m-AAA protease deficiency, and also establish valuable mitochondrial dysfunctional mouse models to study other neurodegenerative diseases, such as tauopathies and demyelinating diseases.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Neurodegeneration und die m-AAA-Protease: pathogene Kaskaden in Neuronen und Myelin-produzierenden Zellen UNSPECIFIED
Translated abstract:	Abstract Language Die m-AAA Protease ist ein hexamerischer Proteinkomplex, welcher sich in der inneren Membran des Mitochondriums befindet. Zum einen spielt die m-AAA Protease eine Rolle in der Weiterverarbeitung von speziellen Substraten, zum anderen ist sie wichtig für den Abbau fehlgefalteter Polypeptide. Im Menschen besteht die m-AAA Protease aus AFG3L2 und paraplegin. Mutationen in dem AFG3L2 Gen sind verbunden mit den Krankheiten dominante Spinozerebelläre Ataxia 28 und dem rezessiven spastic ataxia-neuropathy syndrome 5 (SPAX5). Weiterhin wurde gezeigt, dass Mutationen in dem SPG7 Gen, welches für paraplegin codiert, zur Hereditären Spastischen Paraplegie führen kann. In der Maus gibt es neben AFG3L2 und paraplegin eine dritte m-AAA Untereinheit, genannt AFG3L1. Obwohl verschiedene Maus Krankheitsmodelle den neurodegenerativen Phenotypen der oben gennanten Krankheiten rekapitulieren konnnten, ist der molekulare Mechanismus der dem zu Grunde liegt noch nicht verstanden. In dieser Arbeit wurde mit Hilfe verschiedener Mausmodelle die zellautonome Funktion der m-AAA Protease in Neuronen und in Myelin produzierenden Zellen erforscht. Wir konnten zeigen, dass in Knock-Out-Mäusen, in denen AFG3L2 entweder im ganzen Körper oder spezifisch im Vorderhirn fehlt, Mitochondrien fragmentieren und anschwellen und dass das Protein tau hyperphosphoryliert wird. Weiterhin führt das Fehlen von AFG3L2 in ausgewachsenen Myelin produzierenden Zellen zu früh auftretenden mitochondrialen Abnormalitäten wie auch vorher in Neuronen beobachtet werden konnte. Im Gegensatz zu der Beobachtung in Neuronen, konnten wir keine reduzierte Lebensdauer der Myelin produzierenden Zellen feststellen. Desweiteren ist bekannt, dass Myelin produzierende Zellen Probleme in der Atmungskette durch Glykolyse kompensieren können. Interessanterweise konnten wir jedoch zeigen, dass der komplette Verlust der m-AAA Protease durch den Knock-out (KO) von Afg3l2 in einem Afg3l1 KO Hintergrund (Doppelter Knock-out (DKO)), zum absterben von Myelin produzieren Zellen führt, was letztendlich zum fortschreitenden Verlust des Myelins um das neuronale Axons führt. Ausserdem haben wir ein frühzeitiges Ergrauen der Haare in DKO Mäusen festgestellt, was auf den Verlust von Melanozyten zurückzuführen ist. Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass es einen zellautonomen Grenzwert für die m-AAA Protease gibt, welcher nicht unterschritten werden darf, da sonst das Überleben der Zelle in Gefahr ist. Die essentielle Rolle von AFG3L2 in der Vorbeugung gegen den Zelltod ist unabhänging von der Teilung und Fusionierung von Mitochondrien und der Fähigkeit der Zelle Oxidative Phosphorylierung zu bertreiben. Unsere Ergebnisse bringen neue Erkenntnisse über Krankheiten die mit dem Verlust der m-AAA Protease verbunden sind. Weiterhin können die von uns etablierten Mausmodelle wertvolle Werkzeuge in der Forschung über andere Krankheiten sein, die der Mitochondrialen Dysfunktion zu Grunde liegen. Dies könnte helfen andere neurodegenerative Krankheiten, wie Tauopahtien und Krankheiten, in denen eine Myelin Defizit vorliegt, besser zu erforschen. UNSPECIFIED
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Wang, Shuaiyu w.shuaiyu@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-70887
Date:	9 May 2016
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 Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Neurodegeneration UNSPECIFIED mitochondria UNSPECIFIED m-AAA protease UNSPECIFIED oligodendrocytes UNSPECIFIED
Date of oral exam:	1 July 2016
Referee:	Name Academic Title Rugarli, Elena Prof. Dr. Trifunovic, Aleksandra Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7088