The characterization of the Atxn2-CAG42-knock-in mouse as a model for Spinocerebellar Ataxia Type 2

Die Ursache der neurodegenerativen Erkrankung Spinozerebelläre Ataxie Typ 2 (SCA2) ist eine expandierte Polyglutamin-Domäne im humanen ATXN2-Gen von normalerweise 22 auf über 31 CAGs. Von der Degeneration sind vorwiegend die zerebellären Purkinje Neuronen betroffen, in denen zunehmend zytoplasmatische Aggregate sichtbar werden. Auch wenn die genaue Funktion von ATXN2 und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen noch immer ungeklärt sind, werden ein toxischer Funktionsgewinn sowie der Verlust der normalen Proteinfunktion als mögliche Ursachen diskutiert.rnUm ein wirklichkeitsgetreues Tiermodell für die SCA2 zu haben, wurde eine knock-in Maus generiert, deren einzelnes CAG im Atxn2-Gen durch 42 CAGs ersetzt wurde. Dieses Mausmodell ist durch eine stabile Vererbung der Expansion charakterisiert. Weiterhin zeigt sie ein verringertes Körpergewicht sowie eine spät beginnende motorische Inkoordination, was dem Krankheitsbild von SCA2 entspricht. rnIm Weiteren konnte gezeigt werden, dass, obwohl die Atxn2 mRNA-Spiegel in Großhirn und Kleinhirn erhöht waren, die Menge an löslichem ATXN2 im Laufe der Zeit abnahm und dies mit einem Auftreten an unlöslichem ATXN2 korrelierte. Dieser im Kleinhirn progressive Prozess resultierte schließlich in zytoplasmatischen Aggregaten innerhalb der Purkinje Neuronen alter Mäuse. Der Verlust an löslichem ATXN2 könnte Effekte erklären, die auf einen partiellen Funktionsverlust von ATXN2 zurückzuführen sind, wobei die Aggregatbildung einen toxischen Funktionsgewinn wiederspiegeln könnte. Neben ATXN2 wurde auch sein Interaktor PABPC1 zunehmend unlöslich. Während dies im Großhirn eine Erhöhung der PABPC1 mRNA- und löslichen Proteinspiegel zur Folge hatte, konnte keine kompensatorische Veränderung seiner mRNA und zudem eine Verminderung an löslichem PABPC1 im Kleinhirn beobachtet werden. Auch PABPC1 wurde in Aggregate sequestriert. Diese Unterschiede zwischen Großhirn und Kleinhirn könnten zu der spezifischen Vulnerabilität des Kleinhirns beitragen.rnUm die Folgen auf mRNA-Prozessierung zu untersuchen, wurde ein Transkriptomprofil im mittleren sowie fortgeschrittenen Alter der Mäuse erstellt. Hierbei war eine erhöhte Expression von Fbxw8 im Kleinhirn alter Mäuse auffällig. Als Komponente eines Ubiquitin-E3-Ligase-Komplexes, hilft FBXW8 in der Degradierung von Zielproteinen und könnte somit die Toxizität des expandieren ATXN2 verringern. rnZur näheren Beschreibung der physiologischen Funktion von ATXN2, konnte in ATXN2-knock-out Mäusen gezeigt werden, dass das Fehlen von ATXN2 zu einer reduzierten globalen Proteinsyntheserate führte und somit eine Rolle als Translationsaktivator möglich erscheint. Kompensatorisch wurde eine erhöhte S6-Phosphorylierung gemessen.The neurodegenerative disease Spinocerebellar Ataxia Type 2 (SCA2) is caused by an expanded polyglutamine domain in the human ATXN2 gene from usually 22 to more than 31 CAGs. The primary site of degeneration is the cerebellar Purkinje neurons in which cytoplasmic aggregates become visible during late stages of the disease. The exact function of ATXN2 and the underlying molecular mechanisms are still not fully understood, while both toxic gain-of-function as well as partial loss-of-function mechanisms are under discussion.rnAs a faithful animal model, a knock-in mouse replacing the single CAG of murine Atxn2 with CAG42 was generated. This expansion size was inherited stably. The mice showed phenotypes with reduced weight and later motor incoordination, which resembles the clinical picture of SCA2. rnAlthough Atxn2 mRNA became elevated in cortex and cerebellum, soluble ATXN2 protein levels diminished over time and this further correlated with an increase of insoluble ATXN2. This feature was progressive in the cerebellum and resulted in cytoplasmic aggregates within the Purkinje neurons of old mice. The reduced soluble ATXN2 levels might explain partial loss-of-function effects, while the appearance of aggregates possibly reflects toxic gains-of-function. Besides ATXN2, also its interactor PABPC1 became progressively insoluble. This was accompanied by increased transcript and soluble protein levels in the cortex, while no compensatory regulation of PABPC1 mRNA and a reduction of soluble PABPC1 were observed in the cerebellum. PABPC1 was also sequestered into aggregates. These different observations in cortex and cerebellum might explain the specific vulnerability of the cerebellum.rnTo understand consequences on mRNA processing, transcriptome profiles at medium and old age were studied and demonstrated a selective induction of Fbxw8 in the old cerebellum. As a component of an ubiquitin-E3-ligase complex, FBXW8 aids in the degradation of target proteins and might thus reduce the toxicity of the expanded ATXN2.rnTo further describe the physiological function of ATXN2, an Ataxin-2 knock-out mouse model was exploited. The loss of ATXN2 resulted in diminished global protein synthesis rates, which make a role as translational activator possible. As compensatory effort, an increased S6-phosphorylation was observed. r