Mutations in the glucocerebrosidase gene (
Several techniques based on modeling parkinsonism in mice with GCase dysfunction were used to study the impact of GCase dysfunction on DA neuron neurodegeneration [3, 4]. In this study, we evaluated GCase activity, lysosphingolipids level, and the degree of neurodegeneration in DA-neurons of the substantia nigra’s compact (SNc) and reticular part (SNr), as well as the levels of dopamine and alpha-synuclein (total and oligomeric) in the brains of mice with a double “soft” neurotoxic model induced by the introduction of the neurotoxin 1-methyl-4-phenyl-1. This is the first time such an evaluation has been made. The presymptomatic stage of parkinsonism induced by 2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) involved the double administration of 12 μg/kg at a 2-hour interval, in combination with a single injection of the selective GCase inhibitor conduritol-B-epoxide (CBE) at a dose of 100 mg/kg. Additionally, we compared the transcriptomes of primary macrophage cultures from GBA-PD patients [5] with the transcriptome of SN brain tissue in model mice.
We demonstrated that a singular injection of CBE resulted in a 50% decrease in GCase activity in the mouse brain and an elevation in lysosphingolipid levels. Additionally, the introduction of both MPTP and CBE led to an increase in the level of oligomeric forms of alpha-synuclein in the striatum. Simultaneously, degeneration of DA neurons in SNc, assessed by tyrosine hybroxylase (TH) immunohistochemistry 14 days after injection, was comparable to MPTP and CBE (decreasing to 50 and 60%, respectively). The neurotoxic model, when combined, demonstrates a significantly greater reduction in dopamine concentration, accumulation of total alpha-synuclein in the striatum, and more severe neurodegeneration of DA neurons in SNr (70% compared to 45% with MPTP administration).
A comparison of differential gene expression in primary macrophage cultures from patients with GBA-PD and controls revealed a reduction in the expression of genes associated with neurogenesis, such as
The data obtained indicates that dysfunctional GCase leads to the accumulation of toxic forms of alpha-synuclein and degeneration of DA neurons, similar to the effects of small doses of MPTP. Combining neurotoxins (MPTP+CBE) causes a greater accumulation of alpha-synuclein and a higher degree of neuron degeneration. Transcriptomic analysis conducted on GBA-PD patients’ cells and a combined neurotoxic mouse model (MPTP+CBE) brain revealed modifications in gene expression of autophagy regulation. Approaches focused on enhancing GCase activity and autophagy exhibit potential in developing neuroprotective agents.
Мутации в гене глюкоцереброзидазы (
С целью изучения влияния дисфункции глюкоцереброзидазы (GCase) на нейродегенерацию дофаминергических нейронов (ДА-нейроны) используются различные подходы, сочетающие моделирование паркинсонизма с дисфункцией GCase на мышах [3, 4]. В настоящем исследовании нами впервые проведена оценка активности GCase, уровня лизосфинголипидов, степени нейродегенерации нейронов чёрной субстанции (ЧС) компактной (ЧСкч) и ретикулярной (ЧСрч) частей, уровня дофамина и альфа-синуклеина (общего, олигомерного) в мозге модельных мышей с пресимптоматической стадией паркинсонизма, которым вводился нейротоксина 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридина (MPTP) (МPTP-индуцированная пресимптоматическая стадия паркинсонизма (двукратное введение в дозе 12 мкг/кг c интервалом в 2 часа)) в сочетании с однократным введением селективного ингибитора GCase кондуритол-В-эпоксида (СВЕ) (100 мг/кг). Также нами проведено сопоставление транскриптома первичной культуры макрофагов пациентов с GBA-БП [5] и транскриптома ЧС головного мозга мышей двойной нейротоксической модели.
Исследование показало, что однократная инъекция СВЕ приводит к 50% снижению активности GCase и повышению уровня лизосфинголипидов в мозге мышей. Введение как МPTP, так и СВЕ приводило к увеличению уровня олигомерных форм альфа-синуклеина в стриатуме. При этом уровень нейродегенерации ДА нейронов ЧСкч, оценённый через 14 дней после инъекции путём иммуногистохимического окрашивания на тирозингидроксилазу (ТН), был сопоставим при введении МPTP и СВЕ — падение до 50 и 60%, соответственно. Двойная нейротоксическая модель характеризовалась более выраженным снижением концентрации дофамина, накоплением общего альфа-синуклеина в стриатуме и более выраженной нейродегенерацией ДА нейронов в ЧСрч (70% vs 45% при введении МPTP).
Сопоставление дифференциальной экспрессии генов в первичной культуре макрофагов пациентов с GBA-БП по сравнению с контролем выявило снижение экспрессии таких генов, связанных с нейрогенезом, как
Полученные данные показывают, что дисфункция глюкоцереброзидазы, обусловленная введением животным CBE, может приводить к накоплению нейротоксических форм альфа-синуклеина и дейродегенерации ДА-нейронов, сопоставима с вариантом введения с небольшими дозами MPTP, при этом увеличивая накопление альфа-синуклеина и степень дисфункции нигростриарной ститемы при сочетанном введении. Сопоставление результатов транскриптомного анализа, проведённого в клетках пациентов с GBA-БП и мозга двойной нейротоксической мышиной модели (CBE+МPTP) выявило изменение экспрессии генов, вовлечённых в регуляцию процесса аутофагии. Подходы, направленные на увеличение активности GCase и аутофагии, могут быть эффективны при разработке нейропротекторных средств.