Endoplasmic reticulum stress and cell death mechanisms in the cell model of Huntington’s disease

Abstract

This thesis clarifies important molecular pathways that are activated during the cell death observed in Huntington’s disease. Huntington’s disease is one of the most common inherited neurodegenerative diseases, which is primarily inherited in an autosomal dominant manner. HD is caused by an expansion of CAG repeats in the first exon of the IT15 gene. IT15 encodes the production of a Huntington’s disease protein huntingtin. Mutation of the IT15 gene results in a long stretch of polyQ residues close to the amino-terminal region of huntingtin. Huntington’s disease is a fatal autosomal neurodegenerative disorder. Despite the current knowledge of HD, the precise mechanism behind the selective neuronal death, and how the disease propagates, still remains an enigma.

The studies mainly focused on the control of endoplasmic reticulum (ER) stress triggered by the mutant huntingtin proteins. The ER is a delicate organelle having essential roles in protein folding and calcium regulation. Even the slightest perturbations on ER homeostasis are effective enough to trigger ER stress and its adaptation pathways, called unfolded protein response (UPR). UPR is essential for cellular homeostasis and it adapts ER to the changing environment and decreases ER stress. If adaptation processes fail and stress is excessive and prolonged; irreversible cell death pathways are engaged. The results showed that inhibition of ER stress with chemical agents are able to decrease cell death and formation of toxic cell aggregates caused by mutant huntingtin proteins.

The study concentrated also to the NF-κB (nuclear factor-kappaB) pathway, which is activated during ER stress. NF-κB pathway is capable to regulate the levels of important cellular antioxidants. Cellular antioxidants provide a first line of defence against excess reactive oxygen species. Excess accumulation of reactive oxygen species and subsequent activation of oxidative stress damages motley of vital cellular processes and induce cell degeneration. Data showed that mutant huntingtin proteins downregulate the expression levels of NF-κB and vital antioxidants, which was followed by increased oxidative stress and cell death. Treatment with antioxidants and inhibition of oxidative stress were able to counteract these adverse effects.

In addition, thesis connects ER stress caused by mutant huntingtin to the cytoprotective autophagy. Autophagy sustains cellular balance by degrading potentially toxic cell proteins and components observed in Huntington’s disease. The results revealed that cytoprotective autophagy is active at the early points (24h) of ER stress after expression of mutant huntingtin proteins. GADD34 (growth arrest and DNA damage-inducible gene 34), which is previously connected to the regulation of translation during cell stress, was shown to control the stimulation of autophagy. However, GADD34 and autophagy were downregulated at later time points (48h) during mutant huntingtin proteins induced ER stress, and subsequently cell survival decreased. Overexpression GADD34 enhanced autophagy and decreased cell death, indicating that GADD34 plays a critical role in cell protection.

The thesis reveales new interesting data about the neuronal cell death pathways seen in Huntington’s disease, and how cell degeneration is partly counteracted by various therapeutic agents. Expression of mutant huntingtin proteins is shown to alter signaling events that control ER stress, oxidative stress and autophagy. Despite that Huntington’s disease is mainly an untreatable disorder; these findings offer potential targets and neuroprotective strategies in designing novel therapies for Huntington’s disease.

Väitöskirjassa pyritään selvittämään solun sisäisiä signalointi reittejä, jotka aktivoituvat Huntingtonin taudin solumallin aiheuttaman solukuoleman aikana. Huntingtonin tauti on autosomaalinen dominantisti periytyvä neurodegeneratiivinen sairaus, jonka aiheuttaa laajentunut glutamiinia koodaava CAG-toistojakso (>35-39) proteiini huntingtiinin amino-terminaalisessa päässä. Toistojaksot huntingtiinin eksoni 1:ssä ovat riittävät aiheuttamaan taudin. CAG-toistojakso transloidaan vastaavaksi polyglutamiini laajenemaksi (polyQ), joka tekee striatumin neuronit erityisen alttiiksi solukuolemalle. Lisäksi se johtaa muiden aivoalueiden neuronien (esim. aivokuoren ja hippokampuksen) toiminnanhäiriöihin ja solukuolemaan. Huntingtonin taudin keskeisiä oireita ovat koreaattinen dyskinesia, muut motoriset häiriöt ja kognitiiviset poikkeavuudet. Tauti on progressiivinen ja johtaa kuolemaan. Toistaiseksi tiedetään hyvin vähän soluelinspesifisistä mekanismeista, jotka johtavat neurodegeneraatioon Huntingtonin taudissa.

Tutkimus kohdistuu erityisesti mutatoituneen huntingtiinin ekspression laukaiseman endoplasmisen retikkelin (ER) stressin säätelyyn. ER:n normaali toiminta on tärkeää useissa solun fysiologisissa toiminnoissa kuten vesikkelien liikkeissä, proteiinien kohdentamisessa ja erityksessä sekä lipidi- ja membraanibiogeneesissä. Väärin laskostuneiden ja/tai laskostumattomien proteiinien kasaantuminen ER:n välitilaan laukaisee laskostumattoman proteiinivasteen (UPR, unfolded protein response) ja indusoi ER-stressiä. UPR adaptoi ER:n muuttuvaan ympäristöön ja vähentää ER-stressiä palauttamalla ER:n proteiinien laskostumiskapasiteetin ennalleen ja aktivoimalla endoplasmisessa retikkelissä tapahtuvaa proteiinien hajotusta. Liiallinen ja pitkäaikainen ER-stressi johtaa lopulta ohjelmoituun solukuolemaan, apoptoosiin. Tutkimukset osoittivat, että ER-stressin inhibointi kemiallisilla agenteilla laskee solukuolemaa ja vaarallisten soluaggregaattien muodostumista

Väitöskirjassa tutkitaan myös ER-stressissä vaikuttavaa NF-kappaB (nuclear factor kappa B) signalointi reittiä. Mutatoituneen huntingtiinin toiminta johtaa NF-kappaB:n vaimentamiseen, josta seuraa oksidatiivista stressiä, reaktiivisten happiradikaalien kasautumista, solukuolemaa ja soluille elintärkeiden antioksidanttien määrän vähenemistä. Antioksidantti käsittely ja oksidatiivisen stressin inhibointi pystyivät palauttaamaan NF-B-reitin aktiivisuuden, sekä lisäämään antioksidanttien määrää ja hermosolujen selviytymistä.

Lisäksi tutkimus yhdistää mutatoituneen huntingtiinin aiheuttaman ER-stressin protektiiviseen autofagia-reittiin, joka hajottaa soluille haitallisia soluaggregaatteja Huntingtonin taudin solumallissa. Kokeet osoittivat autofagian olevan aktiivinen mutatoituneen huntingtiinin aiheuttaman solustressin alkuvaiheessa (24h). Tutkimukset paljastivat, että ER-stressin aiheuttamaa autofagiaa stimuloi proteiini GADD34, joka on aikaisemmin yhdistetty proteiini synteesin inhibointiin solustressin aikana. Huntingtiinin aiheuttaman solustressin edetessä (48h) protektiivinen autofagia ja GADD34 tasot laskevat, joka vastaavasti lisää solukuolemaa. GADD34:n yliekspressiolla pystyttiin lisäämään autofagiaa ja vähentämään solukuolemaa.