Verhaltensanalyse bei Tau-transgenen Mäusen unter Intoxikation mit Saft aus Annona muricata

Autor: Jainsch, Britta, Oertel, W. H. (Prof. Dr. Dr. h.c.)
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2021
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Popis: Tauopathies are a group of neurodegenerative diseases characterized by pathological changes in the Tau protein in the sense of dysfunction and accumulation. As a microtubule-associated protein in the central nervous system, Tau plays an important role in the maintenance of cell shape and structure, axonal transport of intracellular components, and growth and stabilization of axons during neuronal development. Both mutations and environmental factors can cause a pathological change in the Tau protein. A number of point mutations in the Tau gene are associated with frontotemporal lobar degeneration with Tau deposits. The neurotoxin annonacin contained in plants of the Annonaceae family is a potent complex-I inhibitor of the respiratory chain of the mitochondria and is considered to be the cause of the atypical Parkinson's syndromes in Guadeloupe, which are classified as tauopathies. An interaction between genetic and environmental factors in pathological alterations of the Tau protein was demonstrated in advance of the present study by a parenteral annonacin infusion into transgenic mice with mutated human Tau gene with the point mutation R406W, which causes the exchange of an amino acid arginine for tryptophan. The short-term exposure to annonacin increased the dysfunction and accumulation of the Tau protein in the transgenic mice in vivo. The aim of this work was to analyze the long-term effects of both factors under physiological conditions by enteral administration of fruit juice from Annona (A.) muricata, a major representative of the Annonaceae plant family, in a mouse model. To this end, the behavioral characteristics of two transgenic mouse lines expressing human Wild-type Tau (hWT) or human R406W Tau and a non-transgenic control group (nTg) were investigated during intoxication with fruit juice from A. muricata for one year. The results were compared with the results of a behavioral analysis of genetically identical mouse lines without the administration of juice from A. muricata. The behavioral tests should provide information on whether the mouse models show phenotypic characteristics of a genetically determined tauopathy (e.g. Frontotemporal lobar degeneration with Tau deposits associated with Tau mutations). Further, it should be clarified whether non-transgenic mice develop clinical characteristics of atypical Parkinson's syndromes of Guadeloupe by the administration of juice from A. muricata. In addition, it was investigated whether environmental exposure to the juice from A. muricata enhances the behavioral traits of Tau-transgenic mice. The behavioral traits of the test animals were examined by means of five behavioral tests at five points in time. The Rotarod Test (ROD) examined motor functions and coordination. The Open Field Test (OFT) analyzed locomotor activity and exploratory behavior and detected potential anxious behavior. The Object Recognition Test (ORT) tested the declarative memory. The Social Interaction Test (SIT) was used to identify the disinhibition of social behavior or social withdrawal. The Forced Swimming Test (FST) revealed a possible depressive behavior of the test animals. The increased locomotor activity and exploratory behavior of the transgenic R406W mice demonstrated in the behavioral tests corresponds to the psychopathological characteristics of a genetic tauopathy in terms of psychomotor disinhibition or loss of frontal inhibition. The increasing change in affective and anxiety-related behavior of the mice with the duration of treatment with juice from A. muricata (increased depressive behavior, increased anxiety) are also observed in the atypical Parkinson's syndrome of Guadeloupe, which is associated with the consumption of A. muricata products. Limitations of declarative memory did not occur in the mice during the investigated period. However, the loss of the habituation of the R406W genotype with regard to locomotor activity may indicate a disruption of learning behavior and discrete memory deficits. Motor impairment did not occur in any genotype in any treatment arm, possibly due to the limited observation period of 12 months. In the literature, such deficits in the R406W mouse model used in the present study (same Tau isoform, same promoter) were only detected at an older age of the test animals. In various tests, the Tau-transgenic animals showed enhanced pathological behavioral traits when treated with juice from A. muricata, suggesting an interaction of genetic predisposition and environmental influence. For example, the transgenic R406W animals treated with juice from A. muricatashowed reduced erection behavior despite the increased locomotor activity, and hWT animals covered in the OFT a shorter distance at a slower speed than water-treated animals of the same genotype. The results of this work confirm the findings of earlier in vitro and in vivo studies. Due to the toxic effects of annonacin on the central nervous system, the consumption of fruits and juice from A. muricata should be avoided. Considering that malfunctions and pathological deposits of the Tau protein play a major role in neurodegenerative Alzheimer's disease, therapies targeting the Tau protein are of considerable scientific interest, especially after the failure of various therapeutic approaches against beta-amyloid. In this context, mouse models can show correlations between the Tau-mediated pathological event and neurodegeneration in vivo. Therapeutic approaches, which focus on pathological changes caused by the Tau protein, can be tested for effectiveness and tolerability in Tau-transgenic mouse models using behavioral analysis.
Tauopathien sind eine Gruppe von neurodegenerativen Erkrankungen, die durch pathologische Veränderungen des Tau-Proteins im Sinne einer Dysfunktion und Akkumulation charakterisiert sind. Tau spielt als Mikrotubuli-assoziiertes Protein im zentralen Nervensystem eine wichtige Rolle bei dem Erhalt der Zellform und der Zellstruktur, beim axonalen Transport von intrazellulären Komponenten sowie beim Wachstum und bei der Stabilisierung von Axonen während der Entwicklung der Neurone. Sowohl Mutationen als auch Umweltfaktoren können eine pathologische Veränderung des Tau-Proteins hervorrufen. Eine Reihe von Punktmutationen im Tau-Gen ist mit einer Frontotemporalen Lobärdegeneration mit Tau-Ablagerungen assoziiert. Das in Pflanzen der Annonaceae-Familie enthaltene Neurotoxin Annonacin ist ein potenter Komplex-I-Inhibitor der Atmungskette der Mitochondrien und gilt als Ursache für die zu den Tauopathien zählenden atypischen Parkinson-Syndrome auf Guadeloupe. Eine Interaktion zwischen genetischen und Umweltfaktoren bei pathologischen Veränderungen des Tau-Proteins wurde im Vorfeld der vorliegenden Studie über eine parenterale Annonacin-Infusion in transgene Mäuse mit mutiertem humanen Tau-Gen mit der Punktmutation R406W, welche den Austausch einer Aminosäure Arginin gegen Tryptophan bewirkt, nachgewiesen. Die kurzfristige Exposition gegenüber Annonacin verstärkte die Dysfunktion und Akkumulation des Tau-Proteins bei den transgenen Mäusen in vivo. Ziel dieser Arbeit war es, langfristige Effekte beider Faktoren unter physiologischen Bedingungen durch eine enterale Gabe von Fruchtsaft aus Annona (A.) muricata, einem Hauptvertreter der Annonacea-Pflanzenfamilie, im Mausmodell zu analysieren. Hierzu wurden die Verhaltenscharakteristika zweier transgener Mauslinien, die humanes Wildtyp-Tau (hWT) oder humanes R406W-Tau exprimierten, und einer nicht-transgenen Kontrollgruppe (nTg) während einer Intoxikation mit Fruchtsaft von A. muricata ein Jahr lang untersucht. Die Ergebnisse wurden mit den Resultaten einer Verhaltensanalyse genetisch identischer Mauslinien ohne Verabreichung von Saft aus A. muricata verglichen. Die Verhaltenstests sollten Aufschluss darüber geben, ob die Mausmodelle phänotypische Merkmale einer genetisch bedingten Tauopathie (z. B. Frontotemporale Lobärdegeneration mit Tau-Ablagerungen assoziiert mit Tau-Mutationen) aufweisen. Weiter sollte geklärt werden, ob nicht-transgene Mäuse durch die Verabreichung von Saft aus A. muricata klinische Charakteristika der atypischen Parkinson-Syndrome von Guadeloupe entwickeln. Zudem wurde untersucht, ob die Umweltexposition mit dem Saft aus A. muricata die Verhaltensmerkmale von Tau-transgenen Mäusen verstärkt. Die Verhaltensmerkmale der Versuchstiere wurden mit Hilfe von jeweils fünf Verhaltenstests zu fünf Zeitpunkten geprüft. Der Rotarod-Test (ROD) untersuchte motorische Funktionen und die Koordination. Der Offenfeld-Test (OFT) analysierte die lokomotorische Aktivität sowie das exploratorische Verhalten und detektierte potenzielle ängstliche Verhaltensweisen. Der Objektwiedererkennungstest (OWT) prüfte das deklarative Gedächtnis. Mittels dem Sozialen-Interaktionstest (SIT) ließ sich eine Enthemmung des sozialen Verhaltens oder ein sozialer Rückzug identifizieren. Der Forcierte-Schwimm-Test (FST) deckte eine mögliche depressive Verhaltensweise der Versuchstiere auf. Die in den Verhaltenstests nachweisbare erhöhte lokomotorische Aktivität und das verstärkte explorative Verhalten der transgenen R406W-Mäuse entspricht den psychopathologischen Merkmalen einer genetischen Tauopathie im Sinne einer psychomotorischen Disinhibition oder frontalen Enthemmung. Die mit der Dauer der Behandlung mit Saft aus A. muricata zunehmende Veränderung des affektiven und angstbezogenen Verhaltens der Mäuse (verstärktes depressives Verhalten, verstärkte Ängstlichkeit) werden auch bei den atypischen Parkinson-Syndromen von Guadeloupe, die mit dem Verzehr von A. muricata Produkten in Verbindung gebracht werden, beobachtet. Einschränkungen des deklarativen Gedächtnisses traten bei den Mäusen im untersuchten Zeitraum nicht auf. Der Verlust der Habituation des R406W-Genotyps hinsichtlich der lokomotorischen Aktivität deutet aber möglicherweise auf eine Störung des Lernverhaltens und auf diskrete Gedächtnisdefizite hin. Motorische Einschränkungen traten bei keinem Genotyp in keinem Behandlungsarm auf, möglicherweise aufgrund des auf 12 Monate begrenzten Beobachtungszeitraumes. In der Literatur wurden solche Defizite in dem auch in der vorliegenden Studie verwendeten R406W-Mausmodell (gleiche Tau-Isoform, gleicher Promotor) erst in einem höheren Alter der Versuchstiere nachgewiesen. In verschiedenen Tests zeigten die Tau-transgenen Tiere unter Behandlung mit Saft aus A. muricata verstärkte pathologische Verhaltensmerkmale, was auf eine Interaktion der genetischen Prädisposition und des Umwelteinflusses hindeutet. Beispielweise wiesen die mit Saft aus A. muricata behandelten transgenen R406W-Tiere ein vermindertes Aufrichtverhalten trotz erhöhter lokomotorischer Aktivität auf und hWT-Tiere legten im OFT eine geringere Strecke mit geringerer Geschwindigkeit zurück als die mit Wasser behandelten Tiere desselben Genotyps. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen die Befunde früherer in vitro und in vivo Untersuchungen. Aufgrund der toxischen Effekte von Annonacin auf das zentrale Nervensystem sollte von dem Konsum von Früchten und Saft aus A. muricata abgeraten werden. In Anbetracht der Tatsache, dass Fehlfunktionen und pathologische Ablagerungen des Tau-Proteins bei der neurodegenerativen Alzheimer-Erkrankung eine wesentliche Rolle spielen, sind auf das Tau-Protein abzielende Therapien vor allem nach Versagen diverser Therapieansätze gegen Beta-Amyloid von enormem wissenschaftlichen Interesse. In diesem Kontext können Mausmodelle Zusammenhänge zwischen dem Tau-vermittelten pathologischen Geschehen und einer Neurodegeneration in vivo aufzeigen. Therapieansätze, die auf pathologische Veränderungen durch das Tau-Protein ausgerichtet sind, lassen sich in Tau-transgenen Mausmodellen mittels Verhaltensanalyse auf Wirksamkeit und Verträglichkeit prüfen.
Databáze: OpenAIRE
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