| Popis: |
Hintergrund und Ziele: Die β-Sekretase BACE1 spielt eine entscheidende Rolle in der Pathogenese der Alzheimer-Erkrankung (AD). Sie ist das Schlüsselenzym der Spaltung des Amyloid Precursor Proteins (APP), was zur Akkumulation von β-Amyloid (Aβ) bei AD-Patienten führt. Studien der letzten Jahre zeigen, dass es neben APP noch viele weitere BACE1-Substrate im Organismus gibt und dass die physiologische Funktion der Protease nur unvollständig verstanden ist. So wird BACE1 auch im Innenohr und den Neuronen des Spiralganglions exprimiert und ist vermutlich für die Entwicklung und Funktion eines adäquaten Hörvermögens von großer Bedeutung. Wir konnten bereits zeigen, dass BACE1-Knockout-Mäuse (BACE1-/-) deutlich schlechter hören als ihre BACE1+/+ Littermates. Immunhistochemisch waren bei BACE1-/- Mäusen eine starke Hypomyelinisierung auditorischer Nervenfasern (ANF) sowie eine Desorganisation der Synapsen zwischen Inneren Haarzellen (IHC) und ANF zu erkennen. Diese Defekte sind vermutlich auf eine mangelhafte Prozessierung des BACE1-Substrates Neuregulin-1 zurückzuführen, welches essenziell für die Myelinisierung peripherer Nervenfasern und die Ausbildung von Synapsen in der Cochlea ist. Methoden: Um die Rolle der BACE1 bei der Regeneration der Cochleae nach einem akustischen Trauma zu untersuchen, wurden BACE1-/- und BACE1+/+ Mäuse mittels Hirnstammaudiometrie (BERA) miteinander verglichen. Mäuse beider Genotypen wurden bei 8 kHz 90 Minuten lang mit einem Reinton von 100 dB beschallt. Einen Tag vor, einen Tag nach und sieben Tage nach Schallexposition wurden BERA-Messungen beider Ohren der Tiere durchgeführt. Um synaptische Schäden zwischen IHC und ANF im Laufe der Versuchsreihe zu beurteilen, wurden Cochleae immunhistochemisch mit Antikörpern gegen CtBP2, PSD95 und GluR2/3 gefärbt und mithilfe konfokaler Mikroskopie quantifiziert. Ergebnisse und Beobachtungen: Vor Beschallung lag die Hörschwelle der BACE1-/- Tiere signifikant oberhalb derer ihrer Wildtyp-Littermates. Einen Tag nach Schallexposition war bei beiden Genotypen ein deutlicher Anstieg der Hörschwellen zu beobachten. Jedoch zeigten nur die Wildtypen die Fähigkeit, sich innerhalb einer Woche von dem akustischen Trauma teilweise zu erholen. Dies konnte anhand einer Normalisierung der Hörschwellen ausgemacht werden. Mithilfe synaptischer Färbungen konnten wir in einer früheren Arbeit zeigen, dass im Bereich der Synapsen zwischen IHC und ANF bei BACE1-/- Tieren eine ektope PSD95-Expression außerhalb der Synapsenregion unabhängig von der Vertäubung vorhanden ist. Die Analyse dieser Synapsen im Rahmen dieser Versuchsreihe zeigte bei BACE1+/+ Tieren keinerlei Veränderung der PSD95-Expresion während des gesamten Beobachtungszeitraumes. Bei BACE1-/- Cochleae dagegen kam es einen Tag nach Schallexposition zu einer signifikanten Abnahme von synaptischem PSD95, welches sich innerhalb der beobachteten Woche wieder zu erholen begann. Des Weiteren wurde durch Schall-Exposition eine Abnahme der membranständigen AMPA-Rezeptoren der Postsynapse induziert, welche bei BACE1-/- verzögert stattfand. Schlussfolgerungen und Diskussion: Die fehlende Erholung der Hörschwellen der BACE1-/- Tiere nach Schallexposition und die verzögerte Abnahme der AMPA-Rezeptoren unterstützen die Hypothese, dass das Fehlen von BACE1 die Vulnerabilität der Cochleae steigert. Möglicherweise ist BACE1 notwendig für die protektive Internalisierung der AMPA-Rezeptoren bei akustischer Überstimulation. Daraus resultierend begünstigt das Fehlen der Protease einen dauerhaften Verlust der Rezeptoren und die Entstehung bleibender synaptischer Schäden. Die Störungen der postsynaptischen PSD95-Expression weisen auf einen möglichen Zusammenhang zwischen Erholung der Cochlea und BACE1-abhängigen Neuregulin-1 Signalwegen hin. Diese Beobachtungen führen zu der Schlussfolgerung, dass BACE1 eine entscheidende Rolle bei der Regeneration der Cochlea nach einem akustischen Trauma spielen könnte. Objectives: The ß-Secretase BACE1 plays a major role in the pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD). It is the rate-limiting protease for the cleavage of amyloid precursor protein (APP), which initiates the abnormal accumulation of β-amyloid (Aβ) in AD brains. Previously, we have shown that BACE1-knock-out mice (BACE1-/-) have significantly higher hearing thresholds compared to wild type littermates. We related impaired hearing to hypomyelination of afferent fibers contacting inner hair cells and aberrant synaptic organization. The absence of BACE1 presumably leads to impaired processing of Neuregulin-1 which is essential for proper myelination and synapse formation in the cochlea. Design and Methods: To evaluate the effect of BACE1 for the regeneration of cochlear synapses after acoustic trauma auditory brainstem responses (ABR) of BACE1-/- and BACE1+/+ mice were analyzed. The animals were exposed to 8 kHz pure tones at 100 dB SPL for 90 minutes. Hearing thresholds were determined one day before, one day after and seven days after sound exposure. In addition, immunostaining and imaging of the cochleae were performed using CtBP2-, GluR2/3- and PSD95-antibodies to estimate synaptic damage and potential regeneration. Observations and Results: Before sound exposure, hearing thresholds of BACE1-/- animals were significantly higher than those of wild type littermates. ABR recordings demonstrated that acoustic trauma induced a significant increase of hearing thresholds in both groups. However, only wild type animals showed the ability to recover at least partially from the damage indicated by normalizing thresholds. Our previous immunostainings revealed that BACE1-/- animals express ectopic PSD95 far outside the synaptic region independent of the treatment. While synaptic PSD95 expression was unaltered in BACE1+/+ animals throughout the observation period, a reduction of postsynaptic PSD95 nerve terminals in BACE1-/- cochleae was observed one day after sound exposure, which recovered again after one week. Furthermore, sound exposure induced a decrease in AMPA receptor counts, which was delayed in BACE1-/- mice. Conclusions: Lack of recovery of ABR-thresholds after sound exposure and delayed loss of AMPA-receptors in BACE1-/- mice suggest that BACE1 deficits lead to increased vulnerability of synapses between inner hair cells and auditory nerve fibers. Presumably, BACE1 might be involved in protective internalization of AMPA receptors after sound exposure. PSD95 impairment points to a potential role of BACE1-dependent Neuregulin-1 signaling pathways during cochlear recovery. These observations lead to the conclusion that BACE1 could be of great importance in cochlear regeneration after acoustic trauma. |
