Die Beteiligung von wildtypischer SOD1 an der Pathogenese der SOD1-vermittelten amyotrophen Lateralsklerose (ALS1)

Bei der amyotrophen Lateralsklerose 1 (ALS1) handelt es sich um eine altersabhängige Motoneuronenerkrankung, die durch Mutationen im Gen der Cu/Zn-Superoxid Dismutase (hSOD1mut) ausgelöst wird. Die toxischen Eigen¬schaften von hSOD1mut (z. B. Aggregations- oder oxidative Stress-Hypothese) und der Einfluss wildtypischer hSOD1 (hSOD1WT) auf den Krankheitsverlauf sind weithin ungeklärt. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen von hSOD1mut-hSOD1WT-Heterodimeren im Vergleich zu mutanten Homodimeren auf die Pathogenese der ALS1 zu untersuchen. Nachdem gezeigt werden konnte, dass es in humanen Zellen in der Tat zu einer Bil¬dung hetero- und homodimerer mutanter hSOD1-Spezies kommt, wurden Dimerfusionsproteine aus zwei hSOD1-Monomeren generiert, die durch einen flexiblen Peptidlinker verbunden und C-terminal mit eGFP markiert waren. Neben hSOD1WT-WT wurden hSOD1mut-mut- und hSOD1mut-WT-Dimere mit vier verschiedenen hSOD1-Mu¬tanten untersucht. Die biochemische Charakterisierung zeigte, dass alle Dimere, die wildtyp-ähnliche hSOD1mut enthielten, eine Dismutaseaktivität aufwiesen. Im Gegensatz dazu war das Homodimer aus zwei metalldefizienten hSOD1G85R inaktiv, wobei interessanterweise hSOD1G85R mit hSOD1WT ein Dismutase-aktives Dimer bilden konnte. Sowohl in Zellkultursystemen als auch in einem C. elegans-Modell bildeten alle mutanten Homodimere vermehrt Aggregate im Vergleich zu den dazugehörigen Heterodimeren. Dieses Aggregationsverhalten korrelierte aber nicht mit der Toxizität der Dimerproteine in Überlebensassays und einer C. elegans Bewe¬gungs¬analyse. In diesen funktionellen Studien assoziierte die Toxizität der dimeren Fusionsproteine mit der enzy¬matischen Aktivität. In Übereinstimmung mit diesen Ergebnissen konnte gezeigt werden, dass hSOD1WT nicht in hSOD1mut-abhängigen Aggregaten vorkommt. Die Ergebnisse dieser Studie sprechen gegen die Aggregation als primäre toxische Eigen¬schaft der hSOD1mut und unterstützen die oxidative Stress-Hypothese. Dis¬mutase-inaktive hSOD1mut können eine untypische Enzymaktivität durch die Heterodimerisierung mit hSODWT erlangen, die auf diese Weise maßgeblich an der Pathogenese der ALS1 beteiligt sein könnte.Amyotrophic lateral sclerosis 1 (ALS1) is an age-related motoneuron disease, which is triggered by mutations in the copper/zinc superoxide dismutase gene (hSOD1mut). The toxic properties of hSOD1mut (e. g. aggregation- and oxidative stress-hypothesis) and the influence of wild type SOD1 (hSOD1WT) on the course of disease are largely elusive. The aim of this work was to study the effect of hSOD1mut-hSOD1mut-heterodimers in comparison with mutant homodimers on the pathogenesis of ALS1. After showing that mutant hetero- and homodimers are formed in human cells, eGFP-tagged dimer-fusion proteins were generated by linking two monomers with a flexible peptide linker. Besides hSOD1WT-WT, hSOD1mut-mut- and hSOD1mut-WT-dimers with four different mutations were investigated. The biochemical characterization showed that all dimers containing wild type-like hSOD1mut possessed a dismutase activity. In contrast, the homodimer formed by two metalbinding-deficient hSOD1G85R was inactive, whereas hSOD1G85R was able to form a dismutase-active dimer with hSOD1WT. As well in cell culture systems as in a C. elegans model, all mutant homodimers generated more aggregates compared to the corresponding heterodimers. This aggregation behaviour did not correlate with the toxicity of the dimer proteins in survival assays and in a C. elegans behavorial assay. In these functional studies, the toxicity of the dimer fusion proteins rather correlated with the enzymatic activity. According with these results it could be shown that hSOD1WT does not occur in hSOD1mut-dependent aggregates. The results of this study argue against aggregation as primary toxic property of hSOD1mut and support the oxidative stress-hypothesis. Dismutase-inactive hSOD1mut can achieve an atypical enzymatic activity by heterodimerization with hSOD1WT, which could thus be involved in the pathogenesis of ALS1