DROSOPHILA AS MODEL FOR HUMAN NEURODGENERATIVE DISEASES « Expanded Polyglutamine Protein Forms...
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DROSOPHILA AS MODEL FOR HUMAN NEURODGENERATIVE DISEASES
« Expanded Polyglutamine Protein Forms Nuclear Inclusions and
Causes Neural Degeneration in Drosophila »
John M. Warrick et al (1998) Cell 93, 939–949
« Genetic Suppression of Polyglutamine Toxicity in Drosophila »
Parsa Kazemi-Esfarjani and Seymour Benzer (2000) Science 287 :1837-1840
Maladie d’Alzheimer: en France, prévalence de 1 % entre 65 et 69 ans à plus de 15
% au delà des 85 ans. 100 000 nouveaux cas /an de maladie d'Alzheimer dont environ
les 2/3 survenant chez des personnes de plus de 79 ans. Estimation 2010: 550 000 cas.
Atrophie cérébrale généralisée progressive présénile entraînant l'apparition
d'une démence lentement évolutive avec
>Troubles de langage jusqu’à l’ aphasie (perte de la parole)
>Troubles cognitifs: troubles de mémoire, exécutifs : planification d’actions
>Agnosie (déficit de la capacité de reconnaissance )
>Apraxie (incapacité à effectuer un mouvement ou une série de mouvements
sur consigne, trouble de coordination des mouvements) »
> Perte d’autonomie progressive (perte capacité à assurer ses besoins
quotidiens)
Maladie de Huntington :prévalence 3 à 7/100000 en europe de l’ouestDébut tardif : 30 - 50 ans (2 - 70 ans), 6% de moins de 20 ans (transmission paternelle)
>Mouvements anormaux involontaires (Mouvements choréoathétosiques:
mouvements saccadés , explosifs, imprévisibles), Troubles de la marche : démarche
raide, petits pas
>Troubles cognitifs: troubles de mémoire et d’attention suivis de trouble du
langage (dysarthrie) et des gestes
>Troubles psychiatriques: dépression (50%); troubles de caractère, psychoses
(10%). > Perte d’autonomie progressive
Maladie de Machado-Joseph (ataxie spinocérébelleuse de type 3 ,SCA3):
Dégénérescence spinocérébelleuse (de la moelle épinière et du cervelet) 3 types sont décrits La forme la plus courante est de Type 2 appelé type ataxique :
Troubles de la démarche et ataxie des extrémités se déclarant à la deuxième et la quatrième décennie
Ataxie cérébelleuse (manque de coordination fine des mouvements volontaires):Dysarthrie (difficulté à articuler les mots)Mouvements avec une amplitude trop importante (le patient semble être ivre)Impossibilité d'exécuter des mouvements rapides Tremblements des membres d'un seul côté au cours des mouvements volontaires (atteinte de la moitié du cervelet)
Syndrome extrapyramidal : Tremblement régulier qui atteint généralement l'extrémité des membres supérieurs. Le tremblement s’accentue quand le patient se concentre en particulier en effectuant un calcul mental et disparaît quand le patient effectue des mouvements sous le contrôle de la volonté.
Akinésie (lenteur d'initiation des mouvements avec une tendance à l'immobilité ) Clignements des paupières de plus en plus rares associés à une mimique appauvrie.Perte du balancement des bras au moment de la marche qui s'effectue à petits pas.Hypertonie des membres qui donne au patient une attitude fléchie, penchée en avant.Difficultés dans l'exécution des mouvements alternatifs rapidesEconomie des gestesEcriture micrographique (lettres minuscules)Paroles exprimées sur le même tonTremblements de la langue et du visage Ophtalmoparésie (paralysie légère consistant en une diminution des possibilités de contraction des muscles du globe oculaire).
Number of common features characterized human
neurodegenerative diseases:
-Late–onset and progressive neurodegeneration
-Dysfunction and loss of specific neurons in the brain
-Formation of abnormal protein aggregates
intranuclear inclusions : Huntington’s disease and related
polyglutamine disorders
cytoplasmic inclusions : neurofibrillary tangle of Alzheimer’s
disease , Lewy body of Parkinson’s disease.
extracellular : amyloid plaque of Alzheimer’s disease
HD Huntington’s DiseaseDRPLA Dentatobulbar Muscular AtrophySCA Spinocerebellar Ataxia (also known as MJD : Machado Joseph Disease), SCA 17 .SBMA Spinobulbar Muscular (also known as Kennedy disease)
At least nine human neurodegenerative diseases known as polyglutamine (polyQ) diseaseshas been defined as CAG repeat expansion within the ORF of the respective genes
Why the fly?
- Short life span of 60-80 days, large number of progeny
- Small/ simple (non-redundant) genome
- High conservation of fundamental biological pathways
- 75% of human disease genes have a Drosophila ortholog
- Many tools to manipulate gene expression
Easy forward and reverse genetic approaches
Large scale pharmacological screens possible
Fly nervous system:
- Anatomy and development of drosphila nervous system
characterized
- Tools to identify specific neuron subtype available
- Measurement of Neuronal function and survival , learning , memory
Study of the molecular and cellular mechanisms
underlying
the disease in transgenic animals
SCA3 /MDJ3 ATAXIN 3 (histone binding protein , ubiquitin protease domain)
Truncated forms with normal or expansion of polyQ (Q27 and Q78) of the human
protein mis-expressed using the UAS –GAL4 system
(Loss of integrity nervous system)
UAS-MJDtr-Q27 (Contrôle) et UAS-MJDtr-Q78
UAS Hsp 70
Hemagglutinin (HA) tag
(CAG n)12 aa 43 aa
COOH terminal fragment of Ataxin 3
Scanning electron photomicrograph
Tangential section
The Drosophila compound eye is a complex neural tissue with precise cellular architecture. The adult eye is composed of 800 reiterated subunits called ommatidia.
R1 Photoreceptor cell
R1 Photoreceptor cellrhabdomere (light-sensing organelle, contain rhodopsin)
8 photoreceptors and 8 non-neural support cells arranged in an invariant pattern.
mf
antenna eye
Third instar eye-antennal imaginal disc, labeled with an antibody which recognizes all the photoreceptor neurons (R1-R8)
Cellular differentiation initiates during the middle of the third larval instar stage at the posterior edge of the eye disc and sweeps across in an anterior direction, taking approximately 2 days to traverse the entire field
Gradient of photoreceptor recruitment and differentiation
The morphogenetic furrow (mf) marks the passage of a wave of cellular differentiation
posterioranterior
FIG 1 Expanded polyglutamine protein causes adult eye degeneration
Elav-GAL4 UAS-Q78 (M)/+
1 day old 4 day old 4 day old
Elav-GAL4 UAS-Q27/+
1 day old 7day old 7 day old
gmr-GAL4 UAS-Q78 (W)/+ gmr-GAL4 UAS-Q27/+
Progressive Pigment degeneration
Progressive Loss of photoreceptor morphology
Neurones du système nerveux central et périphérique durant tout le développement
Toutes les cellules de l’œil en cours de développement( cellules photoreceptrices et cellules pigmentaires)
UAS-Q78Weak Moderate StrongUAS-Q27
GMR-GAL4
Pigmentation
Structureexterne
Age: 1 jour
Section Frontale Cerveau
Dégenerescence cellulaire niveau rétine (r)
all cells in the developping eye
Eye and brain morphology of flies expressing MDJtrQ78 suggest a late stage loss of photoreceptor integrity
GMR-GAL4
GMR-GAL4 UAS-Q27UAS-Q78
Weak Moderate Strong
Différenciation séquentielle des omatidies postérieurement au sillon morphogénétique
Immunofluorescence sur disque imaginal oeilProtéines MJDtr révélées grâce à l’anticorps anti HA
MJDtr Q27cytoplasmique MJDtr Q78 inclusions nucléaires
GMR-GAL4UAS Q27
GMR-GAL4UAS Q78 (S)
anti HAChromatine
anti HA; Membrane nucléaire anti HA ; Chromatine
dpp-GAL4/ UAS-Q78(S) dpp-GAL4/ UAS-Q27
dpp-GAL4/ UAS-Q78(S)
Anti HAChromatin
Figure 4: NI formation in various Imaginal tissues
NI formation but no phenotype >> NI not sufficient to cause degeneration in vivo
GAL 4
UAS Hsp 70
hemagglutin (HA)- tag
20 ou 127 CAGs
UAS 20QUAS 127 Q
GMR GAL4
Eye specific
Target P element:EP
Gal4UAS Hsp 70 20 ou 127 CAGs
HA tag
HA tagchromatineNI
TPR2 interact with the GTPase–activating protein-related domain (GRD) of Neurofibromin (NF1 gene product)The NF1 GRD accelerates intrinsic activity of Ras-GTPase, resulting an active Ras-GTP to be converted into an inactive GDP form
Hypothesis : dTRP2 interaction with the drosophila homolog of NF1 (dNF1)increase Ras-GTP activity>>inhibit the proapoptotichead involution defective (HID) proteinenhance the survival of eye cells.
dTPR2 and dHdJ1 (HSP40/HdJ1) contain J domain (stimulates ATPase activity of HSP70)
Molecular chaperone may play a role in disease progression
Nuclear Inclusion immunostain for ubiquitin. May contain misfolded or abnormally folded protein potentially targeted for proteasomal degradation.
Nuclear Inclusion immunostain for HSP70.
Supression of toxicity :restauration external and internal eye structure by overexpression in MdJDtr-Q78 (A) of :
-HSP70 (B)
-dHdJ1 (C)
-HSP70 + dHdJ1(D)
In supressed flies: NI still present and morphology/number/size unchangedPathogenic protein is SDS-soluble and detected as a monomeric protein by Western immunoblot
Hypothesis:- chaperones are modulating the structure of the protein, and this is not visible in the large aggregates- chaperones, by interacting with the disease protein, prevent abnormal interactions with other proteins in the cell that are causal in toxicity - pathogenic disease proteins may cause a slow cellular depletion of chaperone activity leading to the failure of many cellular processes.
Bonini (2002) PNAS 99: 16407–16411
+- +
GMR -GAL4