title: Characterization of prodromal Parkinson’s disease-like symptoms and pathology in mice and rats transgenic for human alpha-synuclein
title: Charakterisierung prodromaler Parkinson-Symptome und Pathologie in Mäusen und Ratten transgen für das humane Alpha-synuclein-Protein
Creators: name: Moceri, Sandra
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 0
Subjects: subject: Parkinson's disease
subject: alpha-synuclein
subject: gene dose
subject: sex differences
subject: behavioral phenotyping
subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften und Mathematik :: 57 Biowissenschaften; Biologie :: 570 Biowissenschaften; Biologie
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 61 Medizin und Gesundheit :: 610 Medizin und Gesundheit

description: Parkinson’s disease (PD) is on the rise and causal therapeutic approaches do not exist. The lack of interventional treatments is probably linked to an oftentimes delayed diagnosis and a hampered understanding of non-specific prodromal symptoms. In fact, by the time of clinical diagnosis, which is usually based on cardinal motor symptoms, individuals are already affected by an advanced and irretrievable loss of dopaminergic neurons. Over the last decades, there was increasing evidence about early, PD-associated non-motor symptoms, such as impaired sleep, constipation and hyposmia. However, diagnosis of PD remains delayed, emphasizing the need for a better clinical and preclinical understanding of its prodromal phase. Moreover, the scientific community is challenged by an oftentimes low translational value of animal-based preclinical data. Thus, sex-related differences in PD have to be taken into consideration with emphasis of the design of (preclinical) studies. The present study addressed those issues by implementing a study design including two species (Rattus norvegicus and Mus musculus), both sexes, gene dosages (i.e., wild type, heterozygous and homozygous animals), behavioral longitudinal phenotyping (for motor- and non-motor functions) as well as pathophysiology (hematology, neuropathology) in human alpha-synuclein expressing transgenic BAC-SNCA rats and mice. In detail, wild type and homozygous human alpha-synuclein expressing rats (BAC-SNCA rats) between the age of 2- and 15 months were characterized including motor and non-motor symptoms, associated hematological changes and an investigation of alpha-synuclein phosphorylated at serine 129 in the brain of these animals. Likewise, behavioral characterization of wild type, heterozygous and homozygous males and females of the human alpha-synuclein expressing murine model (BAC-SNCA mice) was performed for animals at the age of 1-, 3- and 10-months, with a pathophysiological focus on differences in transgene expression, dopaminergic neurodegeneration and, the presence of alpha-synuclein phosphorylated at serine 129. For BAC-SNCA rats, this work revealed disrupted resting-periods (reminiscent of sleep disturbances), along with increased anxiety, constipation-like symptoms, an anhedonia-like phenotype, mild cognitive changes, reduced motor learning as well as an impaired gait even before the age of 6 months. Alike, an impaired gait and increased-anxiety (in the Light/Dark paradigm) were observed in BAC-SNCA mice indicating species independent influences of human alpha-synuclein. In addition, the transgene differentially affected metabolic parameters in males and females leading to e.g., an increased energy expenditure only in male animals. Transgene-independent sex-related differences became apparent for motor symptoms as well as metabolic processes of BAC-SNCA mice. By Western Blot, male but not female BAC-SNCA mice displayed a gene-dose dependent increase of the levels of human alpha synuclein as well as a decline of tyrosine hydroxylase at the age of 2 months. Interestingly, phosphorylation of alpha-synuclein in the central nervous system seems to play a pivotal role in both species. Insoluble pS129aSyn positive inclusions were already detectable in various brain areas of 4-month-old homozygous BAC-SNCA rats and neuropathological findings correlated with hematological changes in a timely manner. In summary, this thesis revealed behavioral as well as neuropathological homologs of PD in (young) BAC-SNCA mice and rats, indicating that both models can be used in future studies to promote a better understanding of the prodromal phase of the disorder. Thereby, phosphorylation of alpha-synuclein appears to play a pivotal role across species in these models, raising hope for its future use as a reliable biomarker for an early detection of the disease.
description: Morbus Parkinson (PD) ist auf dem Vormarsch und bis heute existiert keine ursächliche Therapie. Vermutlich steht dieser Mangel an Therapiemöglichkeiten in engem Zusammenhang mit einer oft verspäteten Diagnosestellung sowie unserem eingeschränkten Wissen über unspezifische, prodromale Symptome. In der Tat liegt bei Patienten zum Zeitpunkt der Diagnose, welche normalerweise auf kardinalen motorischen Symptomen basiert, bereits ein fortgeschrittener und unumkehrbarer Verlust dopaminerger Neuronen vor. In den letzten Jahrzehnten stieg unser Wissen über frühe, mit PD assoziierten, nicht motorischen Symptome wie Schlafstörungen, Verstopfung und Geruchsverlust stetig. Dennoch erfolgt die Diagnosestellung von PD verzögert und ein besseres Verständnis der prodromalen Phase auf klinischer und vorklinischer Ebene ist dringend von Nöten. Darüber hinaus ist die wissenschaftliche Gemeinschaft mit einer oft unzureichenden translationalen Validität von vorklinischen Tierstudien konfrontiert. Deshalb müssen zukünftige Studien unser Wissen über Geschlechtsunterschiede in PD im Rahmen des (vorklinischen) Studiendesigns mit einbeziehen. Um diese Ziele zu erfüllen, integriert das Studiendesign dieser Arbeit zwei Spezies (rattus norvegicus und mus musculus), beide Geschlechter, Gendosis (wildtyp, heterozygot und homozygot), sowie eine longitudinale Verhaltenscharakterisierung (motorischer und nichtmotorischer Symptome) und Pathophysiologie (Hämatologie und Neuropathologie) in für humanes Alpha-Synuclein-Protein (aSyn) transgenen BAC-SNCA Ratten und Mäusen. Im Detail wurden wildtyp und homozygote humanes aSyn exprimierende Ratten (BAC-SNCA Ratten) im Alter von 2 bis 15 Monaten im Hinblick auf motorische und nicht-motorische Symptome, assoziierte hämatologische Unterschiede, sowie an serine 129 phosphoryliertes aSyn (pS129aSyn) in den Gehirnen dieser Tiere hin untersucht. In Anlehnung daran, wurden wildtyp, heterozygote und homozygote humanes aSyn exprimierende Mäuse im Alter von 1, 3 und 10 Monaten sowohl im Verhalten charakterisiert als auch pathophysiologisch hinsichtlich der Expression des Transgens, dopaminerger Neurodegeneration und der Phosphorylierung von aSyn an Serine 129 (pS129aSyn) hin untersucht. Im BAC-SNCA Rattenmodell konnten im Rahmen dieser Studie gestörte Ruhephasen (ein Hinweis auf Schlafstörungen), ein gesteigertes Angst-ähnliches Verhalten, Verstopfungs- und Anhedonie-ähnliche Symptome, leichte kognitive Veränderungen, reduziertes Lernen motorischer Fähigkeiten sowie Veränderungen im Gangbild bereits in Tieren jünger als 6 Monate festgestellt werden. Veränderungen im Gangbild sowie ein gesteigertes angstähnliches Verhalten (im Hell/Dunkel Experiment) konnte ebenso im BAC-SNCA Mausmodell gemessen werden, was auf speziesübergreifende Effekte des Transgens hindeutet. Darüber hinaus hatte das Transgen im BAC-SNCA Mausmodell einen geschlechtsspezifischen Einfluss auf den Metabolismus der Tiere, insofern als, dass nur männliche, transgene Tiere einen erhöhten Energieverbrauch aufwiesen. Transgenunabhängige Effekte des Geschlechts wurden sowohl für motorische Fähigkeiten, als auch metabolische Parameter der Tiere gemessen. Im Western Blot zeigten männliche, aber nicht weibliche BAC-SNCA Mäuse eine Gendosisabhängige Erhöhung der Level an humanem aSyn, sowie eine Reduktion der Tyrosinhydroxylase im Alter von 2 Monaten. Interessanterweise weist diese Studie auf eine besondere Rolle von phosphoryliertem aSyn im zentralen Nervensystem beider Spezies hin. Unlösliche, pS129aSyn positive Strukturen konnten bereits in zahlreichen Gehirnarealen von 4 Monate alten homozygoten BAC-Ratten detektiert werden und neuropathologische Veränderungen waren zeitlich mit hämatologischen Veränderungen assoziiert. Zusammenfassend zeigt diese Studie das Vorhandensein von verhaltensbezogenen und neuropathologischen Homologen von PD in (jungen) BAC-SNCA Mäusen und Ratten und empfiehlt somit beide Modelle für zukünftige Studien im Hinblick auf ein besseres Verständnis der prodromalen Phase der Erkrankung. Dabei scheint die Phosphorylierung von alphasynuclein eine entscheidende Rolle in beide Spezies zu spielen, was als Grundlage für zukünftigen Fortschritt in der Entwicklung zuverlässiger diagnostischer Biomarker dienen kann.