Zebrafish as a model of Parkinson's disease

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disease among the elderly. Its etiology is unknown and no disease-modifying drugs are available. Thus, more information concerning its pathogenesis is needed. Among other genes, mutated PTEN-induced kinase 1 (PINK1) has been linked to early-onset and sporadic PD, but its mode of action is poorly understood. Most animal models of PD are based on the use of the neurotoxin 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP). MPTP is metabolized to MPP+ by monoamine oxidase B (MAO B) and causes cell death of dopaminergic neurons in the substantia nigra in mammals. Zebrafish has been a widely used model organism in developmental biology, but is now emerging as a model for human diseases due to its ideal combination of properties. Zebrafish are inexpensive and easy to maintain, develop rapidly, breed in large quantities producing transparent embryos, and are readily manipulated by various methods, particularly genetic ones. In addition, zebrafish are vertebrate animals and results derived from zebrafish may be more applicable to mammals than results from invertebrate genetic models such as Drosophila melanogaster and Caenorhabditis elegans. However, the similarity cannot be taken for granted.

The aim of this study was to establish and test a PD model using larval zebrafish. The developing monoaminergic neuronal systems of larval zebrafish were investigated. We identified and classified 17 catecholaminergic and 9 serotonergic neuron populations in the zebrafish brain. A 3-dimensional atlas was created to facilitate future research. Only one gene encoding MAO was found in the zebrafish genome. Zebrafish MAO showed MAO A-type substrate specificity, but non-A-non-B inhibitor specificity. Distribution of MAO in larval and adult zebrafish brains was both diffuse and distinctly cellular. Inhibition of MAO during larval development led to markedly elevated 5-hydroxytryptamine (serotonin, 5-HT) levels, which decreased the locomotion of the fish. MPTP exposure caused a transient loss of cells in specific aminergic cell populations and decreased locomotion. MPTP-induced changes could be rescued by the MAO B inhibitor deprenyl, suggesting a role for MAO in MPTP toxicity. MPP+ affected only one catecholaminergic cell population; thus, the action of MPP+ was more selective than that of MPTP. The zebrafish PINK1 gene was cloned in zebrafish, and morpholino oligonucleotides were used to suppress its expression in larval zebrafish. The functional domains and expression pattern of zebrafish PINK1 resembled those of other vertebrates, suggesting that zebrafish is a feasible model for studying PINK1. Translation inhibition resulted in cell loss of the same catecholaminergic cell populations as MPTP and MPP+. Inactivation of PINK1 sensitized larval zebrafish to subefficacious doses of MPTP, causing a decrease in locomotion and cell loss in one dopaminergic cell population.

Zebrafish appears to be a feasible model for studying PD, since its aminergic systems, mode of action of MPTP, and functions of PINK1 resemble those of mammalians. However, the functions of zebrafish MAO differ from the two forms of MAO found in mammals. Future studies using zebrafish PD models should utilize the advantages specific to zebrafish, such as the ability to execute large-scale genetic or drug screens.

Parkinsonin tauti on yleinen hermostonrappeumatauti vanhusväestössä. Taudin etiologia on tuntematon, eikä parantavia lääkkeitä ole saatavilla. Lisää tietoa taudin patogeneesistä tarvitaan hoitojen kehittämiseksi. PINK1 on tuorein geeni, joka on liitetty Parkinsonin taudin kehittymiseen, mutta sen vaikutusmekanismi on tuntematon. Useimmat aikaisemmat Parkinsonin taudin eläinmallit perustuvat hermomyrkky 1-metyyli-4-fenyyli-1,2,3,6-tetrahydropyridiinin (MPTP) käyttöön. Monoamiinioksidaasi (MAO) muuttaa MPTP:n aivoissa myrkylliseksi MPP+-muodoksi, joka aiheuttaa keskiaivojen mustatumakkeen dopaminergisten solujen tuhon. Seeprakalaa on perinteisesti käytetty laajasti kehitysbiologian mallieläimenä, mutta sitä on alettu viime vuosina käyttää yhä enenevässä määrin myös mallintamaan sairauksia. Seeprakaloja on edullista ja helppoa ylläpitää, ne kehittyvät nopeasti ja ovat kehityksen ajan läpinäkyviä. Seeprakalat lisääntyvät nopeasti, poikueet ovat isoja, ja niitä on helppo manipuloida geneettisillä ja farmakologisilla menetelmillä. Kaiken lisäksi seeprakalat ovat selkärankaisia, joten niistä saadut tulokset ovat paremmin yleistettävissä, kuin selkärangattomista geneettisistä mallieläimistä (esim. sukkulamato ja banaanikärpänen).

Tutkimuksen tavoitteena oli luoda ja testata Parkinsonin taudin mallia poikasseeprakalalla. Tutkimuksessa kartoitettiin kehittyvät dopaminergiset ja noradrenergiset soluryhmät seeprakalan aivoissa, ja luotiin niistä kolmiulotteinen kartasto. Seeprakalan MAO-geeni identifioitiin, ja seeprakalasta löytyi vain yksi MAO-geeni. Sen sijaan nisäkäslajeilla on kaksi MAO-geeniä (MAO A ja B). Seeprakalan MAO osoitti MAO A-tyyppistä spesifisyyttä substraatteja kohtaan, mutta ei-A-ei-B-tyyppistä spesifisyyttä inhibiittoreita kohtaan. MAO:n jakautuminen seeprakalan aivoissa vastasi nisäkkäiden MAO A:n ja MAO B:n yhteistä jakautumista. MAO:n aktiivisuuden estäminen kehityksen aikana nosti serotoniinitasoja vaikuttamatta dopamiini- tai noradrenaliinitasoihin. Serotoniintasojen nousu johti käyttäytymismuutokseen, jolle oli tyypillistä liikkumisen väheneminen ja sydämen sykkeen tihentyminen. MPTP ja MPP+ aiheuttivat dopaminergisten ja noradrenergisten solujen vähenemistä ja liikkumisen hidastumista. MPTP:n toksisuus todettiin MAO:sta riippuvaiseksi, sillä MAO:n aktiivisuuden estäminen ehkäisi MPTP:n vaikutuksia. PINK1 identifioitiin seeprakalasta, ja sen todettiin muistuttavan aminohapposekvenssiltään ja ilmentymiseltään nisäkkäiden PINK1-proteiinia, minkä vuoksi sen tutkiminen seeprakalalla on järkevää. PINK1:n hiljentäminen aiheutti solujen vähenemistä samoissa soluryhmissä kuin MPTP ja MPP+. PINK1 myös herkisti soluryhmät pienille pitoisuuksille MPTP:tä, jotka normaalisti eivät olleet myrkyllisiä. Tämä vahvistaa hypoteesia, että Parkinsonin tauti voi johtua ympäristön aiheuttamasta stressistä geneettisesti herkillä yksilöillä.

Seeprakala vaikuttaa olevan järkevä malli tutkia Parkinsonin tautia, sillä sen hermojärjestelmät, MPTP:n vaikutustapa ja PINK1 muistuttavat nisäkkäiden vastaavia. Kuitenkin seeprakalan MAO eroaa merkittävästi nisäkkäiden MAO-entsyymeistä, mikä täytyy ottaa huomioon jatkotutkimuksia suunniteltaessa.