Identification and characterization of the disease-causing gene in a mouse model for human motoneuron diseases

Drepper C. Identifizierung und Charakterisierung des krankheitsauslösenden Gens in einem Mausmodell für humane Motoneuronerkrankungen. Bielefeld (Germany): Bielefeld University; 2005.Human motoneuron diseases can be classified according to their etiology (sporadic, familial), the appearance of clinical signs and disease progression. Corresponding to the disease patterns, one can distinguish diseases of the first motoneuron (e.g. spastic spinal paralyses), the second motoneuron (e.g. spinal muscular atrophy) and diseases under participation of both systems (e.g. amyotrophic lateral sclerosis). Insights into the underlying pathomechanism were gained through the identification of disease-causing genes in rare heritable forms. The goal of this work was to identify the causative mutation in a mouse model for human spinal muscular atrophy and amyotrophic lateral sclerosis. The mouse model examined in this work was first described in 1956 as the recessive Wobbler mutation (gene symbol: wr) and was mapped to mouse chromosome 11 in 1992. Homozygous Wobbler mice show a tremor in the forelimbs and a wobbling gait. In spinal cord and brain stem degeneration of motoneurons can be observed, which leads to a muscular atrophy in shoulder and neck areas. Due to the progressive character of this disease, Wobbler animals can grasp no longer at the age of six weeks. Additionally, Wobbler males suffer from a spermatogenesis defect and are sterile. New candidate genes could be identified and characterized for wr by the detailed analysis of the wr critical interval. Tmem17 codes for an intracellular localized transmembrane protein that is evolutionary highly conserved. NM_172792 is a putative serine/threonine kinase without a human ortholog. Both genes could be excluded as candidates on the basis of sequence and expression analyses. Furthermore, the wr critical interval could be reduced so that six genes remained in the candidate region. The discovery of a point mutation in Vps54 led finally to the breakthrough. The Wobbler phenotype could be compensated by the transgenic overexpression of Vps54. This result proved the identity of wr. Possible interaction partners for Vps54 could be identified by the yeast two hybrid system. Many of these proteins function in intracellular vesicle trafficking. Further investigations showed that the point mutation in Vps54 negatively influences the binding of the interaction partners. By genome-wide expression profiling experiments it was possible to identify many genes that are involved in the disease progression in this mouse model. The identification of Vps54 as the disease-causing Wobbler gene connects possibly disturbed intracellular vesicle traffic with motoneuron disease and could contribute to the clarification of the involved pathomechanism in human diseases.Humane Motoneuronerkrankungen kann man aufgrund ihrer Ätiologie (sporadisch, familiär), dem Auftreten von klinischen Zeichen und Progressivität der jeweiligen Erkrankung klassifizieren. Je nach den beobachtbaren Krankheitsbildern unterscheidet man Erkrankungen des ersten Motoneurons (z.B. Spastische Spinalparalysen), des zweiten Motoneurons (z.B. Spinale Muskelatrophien) und Erkrankungen unter Beteiligung beider Systeme (z.B. Amyotrophe Lateralsklerose). Einen Einblick in die beteiligten Pathomechanismen dieser Erkrankungen hat man durch die Identifizierung von krankheitsauslösenden Genen in eher seltenen vererbbaren Formen gewonnen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen Beitrag zum Verständnis der Motoneuronerkrankungen zu leisten und das krankheitsverursachende Gen in einem Mausmodell für humane Spinale Muskelatrophien und der Amyotrophen Lateralsklerose zu identifizieren. Bei dem in dieser Arbeit untersuchten Mausmodell handelt es sich um die rezessive Wobbler-Mutation (Gensymbol: wr), die 1956 zuerst beschrieben und 1992 auf Chromosom 11 kartiert worden ist. Homozygote Wobbler-Mäuse zeigen einen Tremor in den vorderen Extremitäten und einen wackligen Gang. In Rückenmark und Hirnstamm ist eine Degeneration der Motoneurone zu beobachten, die zu einer Muskelatrophie im Schulter- und Halsbereich dieser Tiere führt. Bedingt durch den progressiven Charakter dieser Erkrankung können Wobbler-Tiere spätestens im Alter von sechs Wochen nicht mehr greifen. Weiter weisen Wobbler-Männchen einen Spermatogenese-Defekt auf und sind steril. Durch die detaillierte Analyse des wr-kritischen Intervalls konnten neue Kandidaten für wr identifiziert und charakterisiert werden. Tmem17 kodiert für ein intrazellulär lokalisiertes Transmembranprotein, das evolutionär hoch konserviert ist. NM_172792 ist eine putative Serin/Threonin-Kinase ohne humanes Ortholog. Beide Gene konnten aufgrund von Sequenz- und Expressionsanalysen als Kandidaten ausgeschlossen werden. Weiterhin konnte in dieser Arbeit der wr-kritische Bereich reduziert werden, so dass sechs Gene in der Kandidatenregion verblieben sind. Die Entdeckung einer Punktmutation in Vps54 führte schließlich zum Durchbruch. Durch das Einkreuzen eines Vps54-tragenden BACs konnte der Wobbler-Phänotyp kompensiert werden. Das Ergebnis dieses Versuches hat die Identität von wr bewiesen. Mittels des Yeast Two-Hybrid Systems konnten mögliche Interaktionspartner für Vps54 identifiziert werden, die mehrheitlich Funktionen beim intrazellulären Vesikeltransport ausüben können. Weitere Untersuchungen zeigten, dass die Punktmutation in Vps54 die Bindung der Interaktionspartner negativ beeinflusst. Genomweite Transkriptomanalysen konnten viele Gene identifizieren, die in diesem Mausmodell an der Ausprägung der Erkrankung beteiligt sind. Die Identifizierung von Vps54 als das krankheitsverursachende Wobbler-Gen verbindet einen möglichen gestörten intrazellulären Vesikeltransport mit Motoneuronerkrankungen und könnte zur Aufklärung der beteiligten Pathomechanismen in humanen Erkrankungen beitragen