ΣΚΟΠΟΣ
Η διδακτορική διατριβή είχε σαν στόχο να αναγνωρίσει και να μελετήσει τους μηχανισμούς κυτταρικού
θανάτου των νευρώνων του εγκεφάλου στη νόσο του Alzheimer (AD). Η πλειοψηφία των μεταλλαγών που
προκαλούν Οικογενή νόσο του Alzheimer (Familial Alzheimer’s Disease, FAD) έχουν αναγνωριστεί στο
γονίδιο της Πρεσενιλίνης 1 (Presenilin 1, PS1). Καθώς η PS1 είναι ένα κεντρικό μόριο στην παθοφυσιολογία
της AD, και η AD είναι μία νευροεκφυλιστική ασθένεια, δημιουργείται το εύλογο ερώτημα: «Επηρεάζει η PS1
τους μηχανισμούς κυτταρικού θανάτου;». Είναι γνωστό από τη βιβλιογραφία ότι αναπτυξιακοί παράγοντες
μπορούν να προστατέψουν τους νευρώνες από επιβλαβή ερεθίσματα όπως η νευροτοξικότητα γλουταμικού
οξέους, το οξειδωτικό στρες και τη στέρηση θρεπτικών συστατικών. Μερικοί από αυτούς τους
αναπτυξιακούς παράγοντες δρούνε μέσω της πρόσδεσης τους στον υποδοχέα του επιδερμικού αναπτυξιακού
παράγοντα (epidermal growth factor receptor, EGFR) που έχει σαν αποτέλεσμα την ενεργοποίηση
σηματοδοτικών μονοπατιών επιβίωσης. Εκτός από το ρόλο του EGFR στη νευροπροστασία, ο υποδοχέας
αυτός μπορεί εν δυνάμει να μεταβιβάσει σηματοδότηση κυτταρικού πολλαπλασιασμού, κυτταρικής και
ιστικής διαφοροποίησης. Επίσης, πρόσφατες μελέτες τοποθετούν τον EGFR σε κομβικό σημείο των
μονοπατιών των νευρομεταβολικών ασθενειών όπως η AD και το γήρας. Στην παρούσα μελέτη, έθεσα το
ερώτημα, αν η PS1 είναι απαραίτητη για τις νευροπροστατευτικές ιδιότητες των προσδετών του EGFR έναντι
της νευροτοξικότητας γλουταμικού οξέως και πως.
ΜΕΘΟΔΟ
Για να απαντήσω στα κύρια ερωτήματα της μελέτης μου, χρησιμοποίησα μια σειρά ποντικών στους οποίους
έχει διαταραχτεί η έκφραση της PS1 (PS1 knockout, PS1KO). Καθώς οι νεογέννητοι ποντικοί που δεν
εκφράζουν PS1 (PS1-/-) αποβιώνουν αμέσως μετά τη γέννα, δεν καθίσταται δυνατό να μελετήσω τους
μηχανισμούς κυτταρικού θανάτου των νευρώνων του εγκεφάλου σε ενήλικους ποντικούς. Για το λόγο αυτό
μελέτησα τα επίπεδα έκφρασης των πρωτεϊνών που με ενδιέφεραν σε αυτή τη μελέτη με ανοσοϊστοτύπωμα
κατά Western (WB) και ανοσοϊστοχημεία (IHC) σε εγκεφάλους από έμβρυα 15.5 ημερών (E15.5). Μπόρεσα
επίσης να μελετήσω ιστοειδικά μοριακά μονοπάτια, παρασκευάζοντας πρωτογενείς καλλιέργειες νευρώνων
(PCNC), ινοβλαστών (pMEF) και γλοιϊκών κυττάρων (pGlia; κυρίως αστροκυττάρων). Πραγματοποίησα
πειράματα νευρωνικής επιβίωσης έναντι της νευροτοξικότητας γλουταμικού οξέως σε WT (αγρίου τύπου)
και PS1-/- PCNCs για να αξιολογήσω την δυνατότητα των κυττάρων να αξιοποιούν τους προσδέτες του
EGFR (EGF και ΗΒ-EGF) προς την ελάττωση του κυτταρικού θανάτου από τη νευροτοξικότητα γλουταμικού
οξέος. Η νευρωνική επιβίωση εκτιμήθηκε και ποσοτικοποιήθηκε με τη χρήση της δοκιμασίας MTT η οποία
μετράει την αναγωγική ισχύ του κυττάρου καθώς και με μελέτη της πυρηνικής μορφολογίας των κυττάρων
χρησιμοποιώντας τη χρώση Hoechst. Η δυνατότητα των προσδετών του EGFR να ενεργοποιούν σημαντικά
μονοπάτια επιβίωσης αξιολογήθηκε με τη μέτρηση των επιπέδων φωσφορυλίωσης των πρωτεϊνών AKT και
ERK με WB. Η ποσοτικοποίηση των επιπέδων mRNA του EGFR έναντι του γονιδίου ελέγχου (GAPDH)
πραγματοποιήθηκε με αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης πραγματικού χρόνου (Real-time PCR). Για τις
ανάγκες αυτής της μελέτης χρειάστηκε οξεία μείωση των επιπέδων έκφρασης του EGFR η οποία
πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας την τεχνολογία siRNA. Αντιθέτως στις περιπτώσεις που χρειάστηκε να
αυξηθούν τα επίπεδα έκφρασης του EGFR ή να επαναφερθούν τα επίπεδα έκφρασης της PS1
χρησιμοποιήθηκαν φορείς έκφρασης βασιζόμενοι σε λεντιϊό.
Επιπροσθέτως, εκτός από το PS1KO μοντέλο, χρησιμοποιήθηκε και το PS2KO μοντέλο για να εκτιμηθεί η
ειδικότητα των αποτελεσμάτων που βρέθηκαν στους νευρώνες για την PS1 και τη δράση γ-σεκρετάσης.
ΑΠΟΣΕΛΕΜΑΣΑ ΚΑΙ ΤΜΠΕΡΑΜΑΣΑ
Στην παρούσα μελέτη είδαμε για πρώτη φορά ότι η απώλεια της PS1 οδηγεί σε δραματική μείωση των
επιπέδων έκφρασης του EGFR (>95%) σε νευρώνες (PCNCs) και σε σημαντική μείωση (περίπου 40%) στους
εγκεφάλους Ε15.5 ποντικών. Οι PS1-/- PCNCs περιέχουν ελάχιστο EGFR και δεν μπορούν να αξιοποιήσουν
προσδέτες του EGFR για να ενεργοποιήσουν τα κυτταρικά μονοπάτια επιβίωσης ώστε να προστατευτούν από
τη νευροτοξικότητα του γλουταμικού οξέος, ωστόσο η αύξηση των επιπέδων έκφρασης του EGFR στους PS1-
/- νευρώνες αρκεί για να επαναφέρει τις δύο αυτές λειτουργίες. Επί απουσίας της PS1, η μείωση των
επιπέδων του EGFR φαίνεται ότι οφείλεται στη μείωση των επιπέδων σύνθεσης του EGFR, καθώς τα επίπεδα
του Egfr mRNA μειώνονται >95%, ενώ ο ρυθμός αποδόμησης της πρωτεΐνης και του mRNA του EGFR
παραμένει αμετάβλητος. Η επανεισαγωγή της PS1 σε PS1-/- νευρώνες με φορέα έκφρασης αυξάνει τα
επίπεδα του Egfr mRNA και της πρωτεΐνης EGFR, ενώ η μείωση των επιπέδων έκφρασης της PS1 σε PS1+/-
νευρώνες μειώνει τα επίπεδα του Egfr mRNA και της πρωτεΐνης EGFR. Η επίδραση που έχει η PS1 στα
επίπεδα έκφρασης του EGFR είναι ειδική για τους νευρώνες καθώς δεν παρατηρήθηκε αλλαγή των επιπέδων
έκφρασης σε PS1-/- πρωτογενείς καλλιέργειες ινοβλαστών ή γλοιϊκών κυττάρων. Επιπροσθέτως, η PS1
επηρεάζει τα επίπεδα έκφρασης του EGFR με τρόπο που δεν εξαρτάται από την ενζυμική δραστηριότητα γ-
σεκρετάσης, ούτε από την PS2. Τα δεδομένα της μελέτης αποκάλυψαν ότι η PS1 δρα ως ένας θετικός
μεταγραφικός ρυθμιστής του νευρωνικού EGFR. Η σημαντική μείωση των επιπέδων του EGFR επί απουσίας
της PS1 μπορεί να συνεισφέρει στις αναπτυξιακές ανωμαλίες και στο θανατηφόρο φαινότυπο που
χαρακτηρίζει τους PS1-/-, αλλά όχι τους PS2-/- ποντικούς. Επιπροσθέτως, η PS1 μπορεί να επηρεάζει τους
νευροπροστατευτικούς μηχανισμούς στη νόσο του Alzheimer ελέγχοντας τη σηματοδότηση των μονοπατιών
επιβίωσης του νευρωνικού EGFR. Εν συντομία, η PS1 είναι απαραίτητη για τη νευρωνική αλλά όχι γλοιϊκή
έκφραση του EGFR και της επαγόμενης από αυτού νευροπροστασία με ένα τρόπο που είναι ανεξάρτητος από
την ενζυμική δράση γ-σεκρετάσης της PS1.
(EL)
AIM OF THE STUDY
The study was aimed at elucidating the mechanisms of cortical neuronal cell death in the
Alzheimer’s disease. Presenilin 1 (PS1) mutations are responsible for the majority of the identified
cases of patients with Familial Alzheimer’s Disease (FAD). That begs the question of the role of PS1
in neuronal cell death and neuroprotection. It has been known in the literature that several growth
factors are able to protect neurons from harmful stimuli such as excitotoxicity from excitatory
amino acid neurotransmitters, oxidative stress, and nutrient deprivation. Likewise, epidermal
growth factors (EGFs) protect neurons from toxic insults by binding epidermal growth factor
receptor (EGFR) and stimulating survival signaling. Apart from its role in neuroprotection, EGFR
plays pivotal roles in cell proliferation, differentiation, and tissue development, and recent
evidence implicates this receptor in neurometabolic disorders like AD and ageing. In this study, I
asked the question of whether PS1 is necessary for the neuroprotective capacity of ligands of the
EGFR against L-glutamate excitotoxicity, and what is the mode of regulation of this neuroprotective
ability.
METHODS
For this study, we predominantly used the PS1 knockout (PS1-/-) mouse model. Since the PS1-/-
pups die shortly after birth, I could not study cortical neuronal cell death in adult mice. For that
reason I studied the expression levels of the proteins of interest by Western Blot (WB) and
immunohistochemistry (IHC) in embryonic day 15.5 (E15.5) mouse brains. Fortunately, a variety of
primary cell cultures can be obtained from the embryos to dissect the molecular pathway of
interest. In this study, I prepared primary cortical neuronal cultures (PCNC), primary glial cultures
(pGlia; mostly astrocytes) and primary mouse embryonic fibroblasts (pMEF). Survival experiments
were performed against glutamate excitotoxicity in PCNCs to evaluate the ability of EGFR ligands
(EGF and HB-EGF) to reduce neuronal cell death under excitotoxicity. Neuronal viability was
evaluated by MTT assay which measures the reduction potential of the cell and also by the goldstandard
nuclear morphology assay by employing a Hoechst dye. The ability of the EGFR ligands to
activate key survival pathways was assessed by visualizing the level of phosphorylation of AKT and
ERK with WB. Quantification of mRNA levels of EGFR against a housekeeping gene (GAPDH) was
performed by Real-time PCR. Finally, I was able to manipulate the levels of expression of PS1 and
EGFR in our cell cultures by employing siRNA technology to reduce the levels of PS1 mRNA, and a
mammalian expression vector (based on a lentiviral backbone) for expressing either PS1 or EGFR.
In addition to the PS1KO mouse model, the PS2KO mouse model was also employed to evaluate the
specificity of the findings relative to PS1 and γ-secretase function in PCNCs.
RESULTS & CONCLUSIONS
We show that absence of PS1 results in a dramatic decrease (>95%) of neuronal EGFR and that PS1-/-
brains have reduced amounts (around 60% of WT) of this receptor. PS1−/− cortical neurons contain
little EGFR and show no epidermal growth factor–induced survival signaling or protection against
excitotoxicity, but exogenous EGFR rescues both functions even in absence of PS1. Egfr mRNA is
greatly reduced (>95%) in PS1−/− neurons, and PS1−/− brains contain decreased amounts of this
mRNA, although PS1 affects the stability of neither EGFR nor its mRNA. Exogenous PS1 increases
neuronal Egfr mRNA, while down-regulation of PS1 decreases it. These effects are neuron-specific,
as PS1 affects the EGFR of neither glial nor fibroblast cells. In addition, PS1 controls EGFR through
novel mechanisms shared with neither γ-secretase nor the paralog PS2. Our data reveal that PS1
functions as a positive transcriptional regulator of neuronal EGFR controlling its expression in a
cell-specific manner. Severe downregulation of EGFR may contribute to developmental
abnormalities and lethal phenotype found in PS1, but not PS2, null mice. Furthermore, PS1 may
affect neuroprotection and Alzheimer disease by controlling survival signaling of neuronal EGFR. In
summary, Presenilin 1 is necessary for neuronal, but not glial, EGFR expression and
neuroprotection via γ-secretase-independent transcriptional mechanisms.
(EN)
