Preventive mechanisms of the polyphenols quercetin and resveratrol for the beta-induced degeneration in an Alzheimer’s disease model of the nematode Caenorhabditis elegans

Die Alzheimer Erkrankung (AD) ist die häufigste Form der Altersdemenz, die insbesondere aufgrund der veränderten Altersstruktur der westlichen Gesellschaft deutlich zunimmt. Die Akkumulation von beta-Amyloid (Abeta) - Peptiden im Gehirn gilt als histopathologisches Erkennungsmerkmal der AD und als Ursache der Neurodegeneration und der schweren kognitiven Ausfälle. Neben genetischen Einflüssen scheinen beim Menschen bestimmte Nahrungsinhaltsstoffe die Ausprägung der Erkrankung zu verändern. So wird Cholesterol beispielsweise eine AD-fördernde Wirkung zugeschrieben, während die in Nahrungspflanzen vielfach enthaltenen Polyphenole im Kontext einer AD-Prävention diskutiert werden. In der vorliegenden Arbeit wurde der transgene Caenorhabditis elegans (C. elegans) Stamm CL2006 als ein AD-Modell verwendet, um einerseits die Wirkungen bestimmter Gene auf den AD-Phänotyp zu erfassen und andererseits Interaktionen zwischen Genen und Nahrungsinhaltsstoffen aufzuklären. CL2006 exprimiert das humane Abeta unter der Kontrolle eines Muskelpromotors, wodurch die neuromuskuläre Transmission gehemmt wird, was wiederum die Paralyse als erfassbaren Phänotyp bedingt. Die Exposition der Nematoden gegenüber einem Hitzestress von 35°C für 1 h bewirkte bei ca. 50% der CL2006 Population die Paralyse, wohingegen der Wildtyp nicht paralysierte. Während beim Menschen eine Isoform des am Cholesteroltransportes beteiligten Apolipoprotein E mit einem erhöhten AD-Risiko einhergeht, konnte in CL2006 gezeigt werden, dass eine mittels RNA-Interferenz (RNAi) erzielte verminderte Expression eines Apo-homologen Gens, des vit-6, die Paralyse reduzierte. Da eine verminderte Cholesterolversorgung die gleichen Effekte erzielte, jedoch die durch vit-6 RNAi reduzierte Paralyse nicht beeinflusste, ist davon auszugehen, dass VIT-6 durch die zelluläre Versorgung mit Cholesterol den AD-Phänotyp beeinflusst. Des Weiteren konnte aufgeklärt werden, dass die intrazelluläre Signalvermittlung des Cholesterols über den Steroid-Signalweg mit seinen beiden zentralen Schlüsselproteinen DAF-9 und DAF-12 erfolgt, die schließlich den Stressresistenz- und Langlebigkeit-vermittelnden FOXO-Transkriptionsfaktor DAF-16 hemmen. Da die durch den Hitzestress in CL2006 induzierte Paralyse mit einer erhöhten Menge aggregierter Proteine in Lösung assoziiert war und solche Proteinaggregate als ursächlich für den AD-Phänotyp diskutiert werden, wurde im Folgenden die Bedeutung verschiedener Gene in CL2006 untersucht, die an der zellulären Protein-Homöostase, der Proteostase, beteilgt sind. Die durch RNAi erzielte verminderte Expression der an der unfolded protein response der Mitochondrien (UPRmt) beteiligten mitochondrialen Chaperone HSP-6 und HSP-60 steigerte die Paralyse in CL2006 signifikant. Die UPR des endoplasmatischen Retikulums (UPRER) trug ebenfalls zur Prävention des Alzheimer-Phänotyps bei, da die RNAi des unter ER-Stress aktivierten Gens xbp-1 die Paralyse deutlich erhöhte. Im Gegensatz dazu zeigten die Gene abu-1 und abu-11, die üblicherweise eine blockierte UPRER kompensieren, keinen Einfluss auf die Paralyse. Neben Proteinen, die über die korrekte Faltung von Zielproteinen Einfluss auf den Abeta-induzierten Phänotyp in CL2006 nehmen, konnten sowohl der proteasomale als auch der autophagosomale Abbau von Proteinen als protektive Mechanismen gegenüber dem Auftreten der Paralyse in den Nematoden identifiziert werden. Das in Zwiebeln und Äpfeln reichlich vorkommende Polyphenol Quercetin sowie das in Rotwein enthaltene Resveratrol senkten die Paralyse signifikant. Hierzu reichte eine Konzentration von 1 µM Resveratrol, wohingegen deutlich höhere Quercetinkonzen-trationen notwendig waren. Im Hinblick auf die Abhängigkeit der Polyphenolwirkungen von zentralen Genen der Proteostase wurde gezeigt, dass Quercetin die Paralyse unabhängig von Proteinen der UPRmt und der UPRER senkte, während die Funktionalität des Proteasoms und der Makroautophagie unabdingbare Voraussetzung der reduzierten Paralyse waren. Resveratrol führte ebenfalls zu einem verstärkten Proteinabbau über das proteasomale und, unter Einbeziehung der Chaperon-vermittelten Autophagie, auch über das autophagosomale System. Darüber hinaus war die Resveratrolwirkung, im Gegensatz zu den Quercetineffekten, auch abhängig von der UPRmt und UPRER. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der transgene Abeta-exprimierende C. elegans Stamm CL2006 ein hervorragendes Modell darstellt, AD-assoziierte Phänomene auf molekularer Ebene zu erfassen. In der vorliegenden Arbeit wurde aufgezeigt, dass die Versorgung des Oganismus mit Cholesterol den AD-assoziierten Phänotyp über eine Aktivierung des Steroid-Signalweges verstärkt. Desweiteren wurde die Proteostase als zentraler Mechanismus einer Abeta-induzierten Paralyse identifiziert. Die Polyphenole Quercetin und Resveratrol benutzen schließlich unterschiedliche Zielproteine der Proteostase um der Abeta-induzierten Paralyse entgegenzuwirken.Alzheimer’s disease (AD) is the most common form of senile dementia and due to the aging population it is an increasing issue. The accumulation of beta-amyloid (Abeta) peptides is considered to be the key histopathological change of AD as well as the cause of the neurodegeneration and the severe cognitive symptoms. Besides genetic factors certain food components seem to modulate the delevopement of the disease. Therefore cholesterol is adjudged to have an AD-promoting effect, while polyphenols are discussed in the context of AD prevention. In the present work the transgenic Caenorhabditis elegans (C. elegans) strain CL2006 was used as an Alzheimer model to study the influence of certain genes on the AD-phenotype on the on side, as well as interactions betweens genes and food components on the other side. CL2006 expresses human Aβ under the control of a muscle promoter, causing a progressive adult onset paralysis. When a standardized heat shock for 1 h at 35°C was applied, 50% of the nematode population showed to be paralysed, while the C. elegans wildtype did not. In humans a polymorphism of the apolipoprotein E, which is involved in cholesterol transportation, goes along with an increased risk of developing AD. In CL2006 it could be shown, that a knockdown of the apo-homologous gene vit-6 reduced paralysis. Because a reduced cholesterol exposure showed the same effects, it can be assumed, that VIT-6 influences the Alzheimer phenotype through the cellular cholesterol supply. Furthermore it could be clarified that the intracellular cholesterol signalling, that is carried out by the two key proteins DAF-9 and DAF-12 of the steroid signalling, finally results in an activation of the stress resistance and longivety conveying FOXO transcrisption factor DAF-16. Due to the fact that the heat-induced paralysis is accompanied by an increase in aggregated proteins in solution and such protein aggregates are discussed in the context of the Alzheimer phenotype, the meaning of CL2006 genes, involved in the cellular protein homeostasis process, the proteostasis, was examined in the following. The RNAi knockdown of the mitochondrial chaperones HSP-6 and HSP-60, which are involved in the mitochondrial unfolded protein response (UPRmt), increased paralysis in CL2006 significantly. Likewise, the UPR of the endoplasmatic reticulum (UPRER) also contributed to the prevention of the Alzheimer phenotype, since the RNAi of xbp-1, that is induced upon ER-stress, increased paralysis in CL2006. In contrary the genes abu-1 and abu-11 which are usually activated to compensate a blocked UPR showed no effect on paralysis. Besides proteins, that have influence on the Abeta-induced phenotype due to their ability to modulate the folding process of target proteins, the proteasomale as well as the autophagosomale degradation of proteins have been identified as protective mechanisms towards the paralysis in nematodes. The polyphenol quercetin that can be found in onions and apples, as well as resveratrol from red wine significantly reduced paralysis. Therefore a concentration of 1 µM resveratrol was sufficient, whereas quercetin was needed in a higher dosage. In terms of the depedancy of the polyphenol effects on central genes from the proteostasis network, it was found that quercetin did not reduce paralysis by activating the key proteins involved in UPRmt and UPRER. However, the functionality of the protein degradation systems, the UPS and the macroautophagy, is indispensable. Resveratrol also activated the protein degradation by activating the proteasomal system and, considering the chaperone-mediated autophagy, also by activating the autophagosomal degradation. Additionally the resveratrol effect also depended on the UPRmt and UPRER. In conclusion, it was assessed that CL2006, the C. elegans Abeta-expressing transgene, is a excellent model to study AD-associated changes on a molecular level. In the present work it was shown, that the supply of the organism with cholesterol increases the AD-associated phenotype due to an activation of the steroid signalling pathway. Furthermore the proteostasis network has been identified as a central mechanism to prevent Abeta-induced paralysis. The polyphenols quercetin and resveratrol finally use different target proteins of the proteostasis to counteract paralysis