Humanized yeast models to study aggregation of the Parkinson’s Disease related proteins alpha-synuclein and synphilin-1

Jordi Doijen
Gist brengt nieuw inzicht in de ziekte van ParkinsonDe immense toename van de medische kennis en de ontwikkeling van nieuwe medicijnen heeft een stijging in de levensverwachting van mensen in de Westerse wereld teweeggebracht. Deze stijging zorgt voor een enorme groep 60-plussers met als gevolg  dat bepaalde ziekten, waarbij ouderdom een risico-factor is, meer voorkomen en dus meer van belang worden voor de gezondheidszorg. Voorbeelden van ouderdomsziekten met een enorme impact op de gezondheidszorg en economie zijn de hersenaandoeningen Alzheimer en Parkinson.

Humanized yeast models to study aggregation of the Parkinson’s Disease related proteins alpha-synuclein and synphilin-1

Gist brengt nieuw inzicht in de ziekte van Parkinson

De immense toename van de medische kennis en de ontwikkeling van nieuwe medicijnen heeft een stijging in de levensverwachting van mensen in de Westerse wereld teweeggebracht. Deze stijging zorgt voor een enorme groep 60-plussers met als gevolg  dat bepaalde ziekten, waarbij ouderdom een risico-factor is, meer voorkomen en dus meer van belang worden voor de gezondheidszorg. Voorbeelden van ouderdomsziekten met een enorme impact op de gezondheidszorg en economie zijn de hersenaandoeningen Alzheimer en Parkinson. Naar schatting lijdt 1,4% van de 55-plussers aan de ziekte van Parkinson. Dit aantal neemt bovendien ieder jaar toe. De ziekte wordt gekenmerkt door een versnelde veroudering van het zenuwstelsel. Bovendien is het de meest voorkomende bewegingsaandoening ter wereld. Patiënten lijden aan bewegingsstoornissen, ze verstijven en ze hebben veel last van trillingen. De symptomen nemen toe naarmate de ziekte vordert. Ondanks de enorme inzet van wetenschappers en de toenemende vraag naar een oplossing, kan de ziekte nog niet worden genezen. Er zijn echter wel behandelingen ontwikkeld die de symptomen kunnen onderdrukken, maar deze zijn meestal niet zonder bijwerkingen. Dit alles maakt dat er tot op de dag van vandaag enorm veel inspanning is van wetenschappers om meer inzicht te krijgen in deze ziekte om zo nieuwe strategieën te ontwikkelen om ze te kunnen bestrijden.

Recent is gebleken dat gist, gekend om zijn functie bij het bierbrouwen, kan worden gebruikt om onderzoek te doen naar de ziekte van Parkinson en andere complexe hersenaandoeningen. Het Functioneel Biologisch laboratorium van de KU Leuven gebruikt zulke gistmodellen uitvoerig voor zulk onderzoek.

Waarom verleent gist zich tot wetenschappelijk onderzoek?Hoewel een gistcel eenvoudiger is dan een menselijke cel bezit een gistcel ook grote gelijkenissen met humane hersencellen. Gistcellen mogen dan wel ééncellige eukaryoten zijn, toch is 60% van hun genetisch materiaal deels gelijkaardig aan dat van mensen. Daarenboven is er voor 70% van de menselijke genen, gerelateerd aan ziekten, een gist variant. De ruime kennis van gist, en het feit dat het een eenvoudig en efficiënt genetisch te manipuleren organisme is, maakt het interessant voor wetenschappelijk onderzoek. Verouderingsziekten kunnen op eenvoudige wijze worden bestudeerd aangezien gist een veel snellere verouderingstijd heeft dan menselijke cellen waardoor je niet alleen eenvoudiger maar ook versneld kan waarnemen hoe de ziekte verloopt. 

Hoe wordt de ziekte van Parkinson bestudeerd met gist? Bepaalde eiwitten worden overvloedig geproduceerd in de hersenen van Parkinson patiënten. Ze klitten daar samen en vormen eiwitkluwens, zogenaamd Lewy Bodies, in de overlevende hersencellen. Of deze Lewy Bodies schadelijk zijn of niet is tot nog toe onduidelijk. Door het genetisch materiaal van deze eiwitten, onder andere van alpha-synucleïne en synphilin-1 eiwitten, in te brengen in gistcellen kan men in dit organisme hun effect en functie bestuderen en zo trachtten te achterhalen wat hun bijdrage is tot de ziekte van Parkinson. 

Zo werd gevonden dat de overvloedige aanwezigheid van alpha-synucleïne en synphilin-1 in gist leidt tot gelijkaardige eiwitkluwens zoals bij menselijke cellen het geval is. Verder werd er aangetoond dat in een gistcel alpha-synucleïne nadeligere effecten heeft dan synphilin-1 en dat meerdere kleine synphilin-1 eiwitkluwens schadelijker zijn dan enkele grote. Dit laatste komt overeen met de idee dat de overvloed aan eiwitten andere cellulaire processen bemoeilijkt en dat de cellen die er in slagen de eiwitten samen te brengen tot grote kluwens langer blijven leven. Dit sluit aan bij de hypothese dat Lewy Bodies worden gevormd als een beschermingsmechanisme van de cellen om te voorkomen dat andere cellulaire processen worden verstoord. Tot slot werd aangetoond dat een bepaalde vorm van eiwitafbraak, namelijk het ubiquitine-afhankelijke proteasomale systeem, een belangrijke rol speelt bij de afbraak van alpha-synucleïne. Wanneer de eiwitafbraak defect is neemt het schadelijk effect van alpha-synucleïne toe. 

Deze studie leert ons dat de capaciteit van cellen om schadelijke eiwitten samen te brengen cruciaal is voor hun overleving en dat deze capaciteit afhangt vele andere factoren waaronder de efficiëntie van eiwitafbraak. Met andere woorden, de vatbaarheid voor de ziekte van Parkinson hangt af van vele elementen waaronder de hoeveelheid schadelijke eiwitten die zich opstapelen in de hersencellen, de capaciteit van de cellen om deze schadelijke eiwitten af te breken en de capaciteit om de eiwitten in de cel te organiseren in grote eiwitkluwens.

Naar de toekomstGist heeft zich bewezen als eenvoudig en efficiënt modelsysteem voor onderzoek naar complexe hersenaandoeningen en zal in de toekomst veelvuldig blijven gebruikt worden. Fundamenteel onderzoek in gist verdiept ons inzicht in de ziekte van Parkinson in zulke mate dat testen op proefdieren kunnen worden beperkt. Het is namelijk zo dat de kennis vergaard door onderzoek op gist het mogelijk maakt om doelgerichter en efficiënter onderzoek te doen in complexere modelorganismen zoals muizen. Zo zullen er hopelijk nieuwe veelbelovende inzichten worden vergaard die dan kunnen worden gebruikt als leidraad voor de ontwikkelingen van een efficiënte behandeling voor de ziekte van Parkinson. 

 

Bibliografie

Bibliografie:

Aguilaniu, H., Gustafsson, L., Rigoulet, M., & Nyström, T. (2003, March). Asymmetric inheritance of oxidatively damaged proteins during cytokinesis. Science (New York, N.Y.), 299(5613), 1751–1753.

Ahn, M., Kim, S., Kang, M., Ryu, Y., & Doohun Kim, T. (2006, August). Chaperone-like activities of alpha-synuclein: alpha-Synuclein assists enzyme activities of esterases. Biochemical and Biophysical Research Communications, 346(4), 1142–1149.

Avraham, E., Szargel, R., Eyal, A., Rott, R., & Engelender, S. (2005, December). Glycogen synthase kinase 3— modulates synphilin-1 ubiquitylation and cellular inclusion formation by SIAH: implications for proteasomal function and Lewy body formation. Journal of Biological Chemistry, 280(52), 42877–42886. 

Bagola, K., & Sommer, T. (2008, November). Protein Quality Control: On IPODs  and Other JUNQ. Current Biology, 18(21), 1019–1021.

Balch, W. E., Morimoto, R. I., Dillin, A., & Kelly, J. W. (2008, February). Adapting Proteostasis for Disease Intervention. Science (New York, N.Y.), 319(5865), 916–919.

Barbeau, A. (1969). L-Dopa therapy in Parkinsons Disease - a critical review of 9 years experience. Canadian Medical Association Journal, 101(13), 791–800.

Bassett, D. E., Boguski, M. S., & Hieter, P. (1996, February). Yeast genes and human disease. Nature, 379(6566), 589–590.

Bennett, M. C., Bishop, J. F., Leng, Y., Chock, P. B., Chase, T. N., & Mouradian, M. M. (1999, November). Degradation of –-synuclein by proteasome. Journal of Biological Chemistry, 274(48), 33855–33858.

Benov, L., Sztejnberg, L., & Fridovich, I. (1998, November). Critical evaluation of the use of hydroethidine as a measure of superoxide anion radical. Free radical biology & medicine, 25(7), 826–831.

Bonifácio, M. J., Palma, P. N., Almeida, L., & Soares-da Silva, P. (2006, December). Catechol-O-methyltransferase and its inhibitors in Parkinson’s disease. CNS Drug Reviews, 13(3), 352–379.

Botstein, D., Chervitz, S. A., & Cherry, J. M. (1997, August). Yeast as a model organism. Science (New York, N.Y.), 277(5330), 1259–1260.

Büttner, S., Delay, C., Franssens, V., Bammens, T., Ruli, D., Zaunschirm, S., . . .Winderickx, J. (2010, October). Synphilin-1 enhances alpha-synuclein aggregation in yeast and contributes to cellular stress and cell death in a Sir2-dependent manner. PloS one, 5(10), 13700–13700.

Chandra, S., Gallardo, G., Fernández-Chacón, R., & Schlüter, O. M. (2005). –- Synuclein cooperates with CSP– in preventing neurodegeneration. Cell, 123(3), 383–396. 

Chen, P., Johnson, P., Sommer, T., Jentsch, S., & Hochstrasser, M. (1993). Multiple ubiquitin-conjugating enzymes participate in the in vivo degradation of the yeast MAT–2 repressor. Cell, 74(2), 357–369.

Choi, P., Ostrerova-Golts, N., Sparkman, D., Cochran, E., Lee, J. M., & Wolozin, B. (2000, August). Parkin is metabolized by the ubiquitin/proteosome system. Neuroreport, 11(12), 2635–2638.

Chung, K. K., Zhang, Y., Lim, K. L., Tanaka, Y., Huang, H., Gao, J., . . . Dawson, T. M. (2001, October). Parkin ubiquitinates the alpha-synuclein-interacting protein, synphilin-1: implications for Lewy-body formation in Parkinson disease. Nature medicine, 7(10), 1144–1150.

Eldridge, A. G., & Brien, T. O. a. (2009, June). Therapeutic strategies within the ubiquitin proteasome system. Cell Death & Dierentiation, 17(1), 4–13.

Engelender, S., Kaminsky, Z., Guo, X., Sharp, A. H., Amaravi, R. K., Kleiderlein, J. J., ... Ross, C. A. (1999, May). Synphilin-1 associates with -synuclein and promotes the formation of cytosolic inclusions. Nature Genetics, 22(1), 110–114.

Eyal, A., & Engelender, S. (2006, September). Synphilin isoforms and the search for a cellular model of lewy body formation in Parkinson’s disease. Cell cycle (Georgetown, Tex.), 5(18), 2082–2086.

Foury, F. (1997, August). Human genetic diseases: a cross-talk between man and yeast. Gene, 195(1), 1–10.

Franssens, V., Boelen, E., Anandhakumar, J., Vanhelmont, T., Büttner, S., & Winderickx, J. (2010, May). Yeast unfolds the road map toward alpha-synuclein- induced cell death. Cell Death & Dierentiation, 17(5), 746–753.

Franssens, V., Bynens, T., Van den Brande, J., Vandermeeren, K., Verduyckt, M., & Winderickx, J. (2013). The benefits of humanized yeast models to study Parkinson’s disease. Oxidative medicine and cellular longevity, 2013(2), 9–9. 

Gallagher, P. S., Oeser, M. L., Abraham, A.-c., Kaganovich, D., & Gardner, R. G. (2013, December). Cellular maintenance of nuclear protein homeostasis. Cellular and Molecular Life Sciences, 71(10), 1865–1879.

Garrett, R. H., & Grisham, C. M. (2010). Biochemistry (4th ed.). University of Virginia: Mary Finch.

Gietz, R. D., Schiestl, R. H., Willems, A. R., & Woods, R. A. (1995, April). Studies on the transformation of intact yeast cells by the LiAc/SS-DNA/PEG procedure. Yeast, 11(4), 355–360.

Greggio, E., Bisaglia, M., Civiero, L., & Bubacco, L. (2011). Leucine-rich re- peat kinase 2 and alpha-synuclein: intersecting pathways in the pathogenesis of Parkinson’s disease? Molecular Neurodegeneration, 6(1).

Ii, K., Ito, H., Tanaka, K., & Hirano, A. (1997, January). Immunocytochemical co- localization of the proteasome in ubiquitinated structures in neurodegenerative diseases and the elderly. Journal of Neuropathology & Experimental Neurology, 56(2), 125–131.

Imai, Y., Soda, M., & Takahashi, R. (2000, November). Parkin suppresses unfolded protein stress-induced cell death through its E3 ubiquitin-protein ligase activity. Journal of Biological Chemistry, 275(46), 35661–35664. 

Ito, T., Niwa, J.-I., Hishikawa, N., Ishigaki, S., Doyu, M., & Sobue, G. (2003, August). Dorfin localizes to Lewy bodies and ubiquitylates synphilin-1. Journal of Biological Chemistry, 278(31), 29106–29114.

Kaeberlein, M., McVey, M., & Guarente, L. (1999, October). The SIR2/3/4 complex and SIR2 alone promote longevity in Saccharomyces cerevisiae by two dierent mechanisms. Genes & Development, 13(19), 1–11.

Kaganovich, D., Kopito, R., & Frydman, J. (2008, August). Misfolded proteins partition between two distinct quality control compartments. Nature, 454 (7208), 1088–1095.

Kopito, R. R. (2000, December). Aggresomes, inclusion bodies and protein aggregation. Trends in cell biology, 10(12), 524–530.

Krüger, R. (2004, September). The role of synphilin-1 in synaptic function and protein degradation. Cell and Tissue Research, 318(1), 195–199.

Kusmierczyk, A. R., Kunjappu, M. J., Funakoshi, M., & Hochstrasser, M. (2008, March). A multimeric assembly factor controls the formation of alternative 20S proteasomes. Nature Structural & Molecular Biology, 15(3), 237–244.

Lee, G., Junn, E., Tanaka, M., Kim, Y. M., & Mouradian, M. M. (2002, September). Synphilin-1 degradation by the ubiquitin-proteasome pathway and eects on cell survival. Journal of neurochemistry, 83(2), 346–352.

Leroy, E., Boyer, R., Auburger, G., Leube, B., Ulm, G., & Mezey, E. (1998). The ubiquitin pathway in Parkinson’s disease. Nature, 395(6701), 451–452.

Li, H., & Guo, M. (2009, March). Protein degradation in Parkinson disease revisited: it’s complex. The Journal of clinical investigation, 119(3), 442–445.

Lim, K. L., Chew, K. C. M., Tan, J. M. M., Wang, C., Chung, K. K. K., Zhang, Y., . . . Dawson, T. M. (2005, February). Parkin mediates nonclassical, proteasomal- independent ubiquitination of synphilin-1: implications for Lewy body forma- tion. The Journal of Neuroscience, 25(8), 2002–2009.

Liu, B., Larsson, L., Caballero, A., Hao, X., Öling, D., Grantham, J., & Nyström, T. (2010, January). The polarisome is required for segregation and retrograde transport of protein aggregates. Cell, 140(2), 257–267.

Liu, B., Larsson, L., Franssens, V., Hao, X., Hill, S. M., Andersson, V., . . . Nyström, T. (2011, November). Segregation of protein aggregates involves actin and the polarity machinery. Cell, 147(5), 959–961.

Lowe, J., McDermott, H., Landon, M., Mayer, R. J., & Wilkinson, K. D. (1990, June). Ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase (PGP 9.5) is selectively present in ubiquitinated inclusion bodies characteristic of human neurodegenerative diseases. The Journal of pathology, 161(2), 153–160.

Marx, F. P., Holzmann, C., Strauss, K. M., & Li, L. (2003). Identification and functional characterization of a novel R621C mutation in the synphilin-1 gene in Parkinson’s disease. Human molecular Genetics, 12(11), 1223–1231.

McNaught, K. S. P., & Jenner, P. (2001, January). Proteasomal function is impaired in substantia nigra in Parkinson’s disease. Neuroscience letters, 297(3), 191– 194.

Mortimer, R. K., & Johnston, J. R. (1959, June). Life span of individual yeast cells. Nature, 183(4677), 1751–1752. 

Mouradian, M. M. (2002, January). Recent advances in genetics and pathogenesis of Parkinson disease. Neurology, 58 (2), 179–185.

Nagano, Y., Yamashita, H., Takahashi, T., Kishida, S., Nakamura, T., Iseki, E., . . . Matsumoto, M. (2003, December). Siah-1 facilitates ubiquitination and degradation of synphilin-1. Journal of Biological Chemistry, 278(51), 51504– 51514.

Neystat, M., Rzhetskaya, M., Kholodilov, N., & Burke, R. E. (2002, June). Analysis of synphilin-1 and –-synuclein interactions by yeast two-hybrid —-galactosidase liquid assay. Neuroscience letters, 325(2), 119–123.

Nyström, T. (2007). A Bacterial Kind of Aging. PLoS genetics, 3(12), e224. Nyström, T., & Liu, B. (2013, October). Protein quality control in time and space - links to cellular aging. FEMS Yeast Research, 14(1), 40–48.

Outeiro, T. F., & Lindquist, S. (2003, December). Yeast cells provide insight into –-synuclein biology and pathobiology. Science (New York, N.Y.), 302(5651),1772–1775.

Polymeropoulos, M. H., Lavedan, C., Leroy, E., Ide, S. E., Dehejia, A., Dutra, A., Nussbaum, R. L. (1997, June). Mutation in the –-synuclein gene identified in families with Parkinson’s disease. Science (New York, N.Y.), 276(5321), 2045–2047.

Pruyne, D., Legesse-Miller, A., Gao, L., Dong, Y., & Bretscher, A. (2004). Mecha- nisms of polarized growth and organelle segregation in yeast. Annual review of cell and developmental biology, 20(1), 559–591.

Racette, B. A., Aschner, M., Guilarte, T. R., Dydak, U., Criswell, S. R., & Zheng, W. (2012, August). Pathophysiology of manganese-associated neurotoxicity. NeuroToxicology, 33(4), 881–886.

Seiberlich, V., Goldbaum, O., Zhukareva, V., & Richter-Landsberg, C. (2012, November). The small molecule inhibitor PR-619 of deubiquitinating enzymes acts the microtubule network and causes protein aggregate formation in neural cells: Implications for neurodegenerative diseases. Biochimica et biophysica acta, 1823(11), 2057–2068.

Sherman, F. (2002). Getting started with yeast. Methods Enzymology, 350, 3–41. Sidhu, A., Wersinger, C., & Vernier, P. (2004, April). Does alpha-synuclein modulate dopaminergic synaptic content and tone at the synapse? FASEB journal : ocial publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology, 18(6), 637–647.

Soto, C. (2003, January). Unfolding the role of protein misfolding in neurodegenerative diseases. Nature reviews. Neuroscience, 4(1), 49–60.

Spillantini, M. G., Schmidt, M. L., Lee, V. M. Y., Trojanowski, J. Q., Jakes, R., & Goedert, M. (1997, August). –-Synuclein in Lewy bodies. Nature, 388(6645), 839–840.

Swinnen, E., Büttner, S., Outeiro, T. F., Galas, M.-C., Madeo, F., Winderickx, J., & Franssens, V. (2011, October). Aggresome formation and segregation of inclusions influence toxicity of alpha-synuclein and synphilin-1 in yeast. Biochemical Society transactions, 39(5), 1476–1481.

Szargel, R., Rott, R., & Engelender, S. (2008, January). Synphilin-1 isoforms Parkinson’s disease: regulation by phosphorylation and ubiquitylation. Cellular and Molecular Life Sciences, 65(1), 80–88. 

Szargel, R., Rott, R., Eyal, A., Haskin, J., Shani, V., Balan, L., Engelender, S. (2009, April). Synphilin-1A inhibits seven in absentia homolog (SIAH) and modulates –-synuclein monoubiquitylation and inclusion formation. Journal of Biological Chemistry, 284(17), 11706–11716.

Takahara, T., & Maeda, T. (2012, July). Transient Sequestration of TORC1 into Stress Granules during Heat Stress. Molecular Cell, 47(2), 242–252.

Takalo, M., Salminen, A., & Soininen, H. (2013). Protein aggregation and degradation mechanisms in neurodegenerative diseases. American Journal of Neurodegener- ative Diseases, 2(1), 1–14.

Tongaonkar, P., Chen, L., Lambertson, D., Ko, B., & Madura, K. (2000, June). Evidence for an interaction between ubiquitin-conjugating enzymes and the 26S proteasome. Molecular and Cellular Biology, 20(13), 4691–4698.

Towbin, H., Staehelin, T., & Gordon, J. (1979, September). Electrophoretic transfer of proteins from polyacrylamide gels to nitrocellulose sheets: procedure and some applications. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 76(9), 4350–4354.

Van Zeebroeck, G., Rubio-Texeira, M., Schothorst, J., & Thevelein, J. M. (2014, July).

Specific analogues uncouple transport, signalling, oligo-ubiquitination and endocytosis in the yeast Gap1 amino acid transceptor. Molecular microbiology, 93(2), 213–233.

Volles, M. J., & Lansbury, P. T. (2007, March). Relationships between the sequence of–-synuclein and its membrane anity, fibrillization propensity, and yeast toxicity. Journal of molecular biology, 366(5), 1510–1522.

Winzeler, E. A., Shoemaker, D. D., Astromo, A., Liang, H., Anderson, K., Andre, B., . Davis, R. W. (1999, August). Functional characterization of the S. cerevisiae genome by gene deletion and parallel analysis. Science (New York, N.Y.), 285(5429), 901–906.

Wong, E. S. P., Tan, J. M. M., Soong, W. E., Hussein, K., Nukina, N., Dawson, V. L., . . . Lim, K. L. (2008, May). Autophagy-mediated clearance of aggresomes is not a universal phenomenon. Human Molecular Genetics, 17(16), 2570–2582.

Xie, Y.-Y., Zhou, C.-J., Zhou, Z.-R., Hong, J., Che, M.-X., Fu, Q.-S., Hu, H.-Y. (2010, January). Interaction with synphilin-1 promotes inclusion formation of –-synuclein: mechanistic insights and pathological implication. FASEB journal : ocial publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology, 24(1), 196–205.

Zaarur, N., Meriin, A. B., Gabai, V. L., & Sherman, M. Y. (2008, October). Triggering aggresome formation. Dissecting aggresome-targeting and aggregation signals in synphilin 1. Journal of Biological Chemistry, 283(41), 27575–27584.

Zabrocki, P., Bastiaens, I., Delay, C., Bammens, T., Ghillebert, R., Pellens, K., Winderickx, J. (2008, October). Phosphorylation, lipid raft interaction and trac of alpha-synuclein in a yeast model for Parkinson. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research, 1783(10), 1767–1780.

Zabrocki, P., Pellens, K., Vanhelmont, T., Vandebroek, T., Grioen, G., Wera, S., Winderickx, J. (2005, March). Characterization of –-synuclein aggregation and synergistic toxicity with protein tau in yeast. The FEBS journal, 272(6), 1386–1400. 

Zhang, Y., Gao, J., Chung, K. K. K., Huang, H., Dawson, V. L., & Dawson, T. M. (2000, November). Parkin functions as an E2-dependent ubiquitin– protein ligase and promotes the degradation of the synaptic vesicle-associated protein, CDCrel-1. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 97(24), 13354–13359.


Zhou, C., Slaughter, B. D., Unruh, J. R., & Eldakak, A. (2011). Motility and segregation of Hsp104-associated protein aggregates in budding yeast. Cell, 147(5), 1186–1196.

Zimmerman, D. W. (2004). A note on preliminary tests of equality of variances. British Journal of Mathematical and Statistical Physiology, 57, 173–181. 

 

 

Universiteit of Hogeschool
Master in de Biochemie en de biotechnologie
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden
Share this on: