Mechanisms of Axon Pathology in ALS
ALS 轴突病理学机制
基本信息
- 批准号:9927699
- 负责人:
- 金额:$ 53.41万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2018
- 资助国家:美国
- 起止时间:2018-09-01 至 2023-05-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:AdultAmyotrophic Lateral SclerosisAnatomyAnimalsAutomobile DrivingAxonBAX geneBehavior monitoringBehavioralCell DeathCell Membrane ProteinsClinicalCost of IllnessDataDenervationDependovirusDiseaseElectrophysiology (science)EnzymesFunctional disorderGeneticGoalsIn VitroIndividualKnowledgeLeadLightLipidsLongevityMediatingModelingMolecularMorphologyMotorMotor Neuron DiseaseMotor NeuronsMusMuscleMuscle FibersMuscle WeaknessMuscle denervation procedureNatureNerveNeurologicNeuromuscular JunctionOutcomeParalysedPathologyPathway interactionsPatientsPharmacologyPhasePhenotypePost-Translational Protein ProcessingPreventivePreventive InterventionProcessProtein IsoprenylationProteinsProteomeQuality of lifeRefractoryReportingResearchResistanceRespiratory MusclesRoleSpecificitySpinalSymptomsTestingTherapeuticTherapeutic InterventionTimeTransferaseTransgenic MiceTransgenic OrganismsVirulence FactorsWithdrawalWorkaxon growthaxonal degenerationbasebrain cellgenetic approachimprovedin vitro Modelin vivoinnovationknock-downloss of functionmotor deficitmutantnerve supplyneuron lossnovel therapeutic interventionprenylprenylationpreventprogramsprotein farnesyltransferaseprotein geranylgeranyltransferaseprotein protein interactionreinnervationscreeningsmall hairpin RNAsuperoxide dismutase 1therapeutic development
项目摘要
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal paralytic disease characterized by neuromuscular junction (NMJ)
denervation that precedes spinal motor neuron (MN) death and muscle weakness. We hypothesize that
preventing denervation and stimulating reinnervation of NMJs will thwart muscle dysfunction and weakness in
ALS, hence improving the patient's quality of life and, likely extending survival. Herein, we seek to demonstrate
that protein prenylation, which was reported to operate as an endogenous brake on axonal growth, is a key
determinant of ALS-related motor axon pathology. In support of this goal, our pilot work shows that dually
silencing the prenylation enzymes, farnesyl transferase and geranylgeranyl transferase type-I, or uniquely
silencing geranylgeranyl transferase type-II, mitigates NMJ denervation in the transgenic (Tg) mouse
expressing mutant SOD1 (mSOD1). The rationale for this project is that, once it is known which prenylated
proteins are essential for ALS-related motor axon pathology and which prenyl transferases catalyze their
prenylation, new and innovative strategies can be devised for the treatment of ALS. Thus, the following three
specific aims are proposed. In AIM 1, we will identify the prenyl transferase involved in motor axon pathology
by silencing these enzymes individually or in combination in Tg mSOD1 mice and then, we will compare, at
different time points, the number of lumbar and phrenic MNs and the NMJ innervation of ambulatory and
respiratory muscles that are critical to the quality of life and lifespan, respectively. We will also demonstrate the
generic nature of protein prenylation in ALS-related motor axon pathology by assessing the most effective
silencing identified above in a non-SOD1 model of ALS. In AIM 2, we will ascertain the specificity of protein
prenylation for motor axon pathology by monitoring behavioral, electrophysiological and anatomical parameters
in Tg mSOD1 mice deficient in the pro-cell death gene Bax with and without prenylation inhibition. Since Bax
deletion abrogates spinal MN death but not motor axon pathology in these mice, Tg mSOD1/Bax–/– animals will
enable us to determine whether: (i) motor axon pathology and MN death are governed by distinct molecular
programs and (ii) inhibition of both prenylation and Bax not only delays the onset of motor deficit but also
extends lifespan. In AIM 3, we will elucidate the specific prenylated proteins that contribute to motor axon
pathology by generating the MN prenylated proteome and then, use this information to perform a loss-of-
function screening in an in vitro model of ALS-like axon pathology. Lastly, those silenced MN prenylated
proteins that mitigate the axon phenotype in vitro will be validated in Tg mSOD1 mice using the same tests as
in AIM 2. In light of the above, we expect that the successful completion of the proposed work will identify the
prenylation pathway and its targets that contribute to motor axon pathology in ALS. These findings will have an
important positive impact in that they will provide opportunities for preventive and therapeutic interventions
and, fundamentally, advance our mechanistic understanding of ALS and related disorders.
肌萎缩侧索硬化症(ALS)是一种致命性麻痹性疾病,其特征是神经肌肉接头(NMJ)
脊髓运动神经元(MN)死亡和肌肉无力之前的去神经支配。
预防 NMJ 的去神经支配并刺激 NMJ 的神经支配再支配将阻止肌肉功能障碍和肌无力
ALS,从而改善患者的生活质量,并可能延长生存期。
据报道,蛋白质异戊二烯化是轴突生长的一个关键因素。
ALS 相关运动轴突病理学的决定因素 为了支持这一目标,我们的试点工作表明了这一点。
沉默异戊二烯化酶、法尼基转移酶和香叶基香叶基转移酶 I 型,或独特地
沉默香叶基香叶基转移酶 II 型,减轻转基因 (Tg) 小鼠的 NMJ 去神经支配
表达突变体 SOD1 (mSOD1) 该项目的基本原理是,一旦知道哪个异戊二烯化。
蛋白质对于 ALS 相关运动轴突病理学至关重要,并且异戊烯基转移酶催化其
异戊二烯化可以设计出新的创新策略来治疗 ALS,因此,有以下三种策略。
在 AIM 1 中,我们将确定参与运动轴突病理学的异戊二烯基转移酶。
通过在 Tg mSOD1 小鼠中单独或组合沉默这些酶,然后我们将进行比较
不同时间点、腰椎和膈肌 MN 的数量以及动态和运动的 NMJ 神经支配
我们还将展示分别对生活质量和寿命至关重要的呼吸肌。
通过评估最有效的方法,了解 ALS 相关运动轴突病理学中蛋白质异戊二烯化的一般性质
在 AIM 2 中,我们将确定上述 ALS 非 SOD1 模型中蛋白质的特异性。
通过监测行为、电生理和解剖参数来进行运动轴突病理学的异戊二烯化
在具有或不具有自 Bax 抑制的亲细胞死亡基因 Bax 的 Tg mSOD1 小鼠中。
缺失消除了脊髓 MN 死亡,但没有消除这些小鼠的运动轴突病理学,Tg mSOD1/Bax–/– 动物将
使我们能够确定:(i)运动轴突病理学和 MN 死亡是否由不同的分子控制
(ii) 抑制异戊二烯化和 Bax 不仅可以延迟运动缺陷的发生,还可以
在 AIM 3 中,我们将阐明有助于运动轴突的特定异戊烯化蛋白。
通过生成 MN 异戊二烯化蛋白质组来进行病理学分析,然后使用此信息执行丢失-
在类似 ALS 的轴突病理学体外模型中进行功能筛选最后,那些沉默的 MN 异戊二烯化。
体外减轻轴突表型的蛋白质将在 Tg mSOD1 小鼠中使用与
在 AIM 2 中。鉴于上述情况,我们预计拟议工作的成功完成将确定
异戊二烯化途径及其有助于 ALS 运动轴突病理学的靶标这些发现将具有重要意义。
重要的积极影响,因为它们将为预防和治疗干预提供机会
从根本上推进我们对 ALS 及相关疾病的机制理解。
项目成果
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