Function of reactive astrocytes in aging and neurodegenerative disease

反应性星形胶质细胞在衰老和神经退行性疾病中的功能

基本信息

  • 批准号:
    10689121
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 9.06万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-09-01 至 2025-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

ABSTRACT/PROJECT SUMMARY Reactive astrocytes (RAs) are a feature of normal aging and neurodegeneration. RAs drastically change their morphology and gene expression, notably increasing the expression of glial fibrillary acidic protein (GFAP) in response to injury or inflammation. GFAP is the major intermediate filament protein of mature astrocytes. Autosomal dominant mutations in GFAP cause the rare and fatal leukodystrophy, Alexander Disease (AxD). In AxD patients, astrocytes accumulate pathological GFAP aggregates (Rosenthal fibers; RFs) and become reactive. However, the mechanisms linking >70 different GFAP mutations to RF formation and other disease- relevant phenotypes in AxD remain unknown. My extensive preliminary data show that aberrant phosphorylation promotes GFAP aggregation, and that this modification is a marker of AxD severity, independently of the disease mutation. Further, I show that site-specific GFAP phosphorylation is associated with increased proteolysis by caspase-6, but whether the two are directly linked is unknown. I hypothesize that coordinated cross-talk between casein kinase (CK2) and caspase-6 promotes defective GFAP proteostasis to exacerbate the reactive phenotype of AxD astrocytes. For the F99 phase, I propose to use pharmacological and genetic strategies to inhibit CK2 and caspase-6 activity in order to characterize their roles in vitro using the astrocyte model that I developed (Aim 1.1), and in vivo utilizing an AxD mouse model (Aim 1.2). I will master iPSC gene editing with CRISPR/Cas9 to generate CK2 and caspase-6 knockouts and iPSC handling and differentiation to astrocyte and neurons (Aim 1.1), and I will apply these techniques to my postdoctoral project (Aim 2). For the K00 phase, I will investigate the functions of RAs in Alzheimer's disease in the lab of Dr. Mel Feany. Proteoglycans (PGs) are among the most highly upregulated genes in aging and RAs. Preliminary data from Dr. Feany's lab identified genetic interactions between PGs and models of neurodegeneration in the fly. I hypothesize that RAs produce an imbalance of PGs in the extracellular matrix, which creates an environment that is inhibitory to neuronal growth and remodeling. To model the mechanical changes known to occur in AD brain, I will develop a novel model to study RAs by culturing iPSC-astrocytes on substrates of different stiffness. Additionally, I will generate knockouts of candidate PGs in iPSCs and differentiate them to reactive and non-reactive astrocytes. I will use in vivo fly models and co-cultures of iPSC- astrocytes and neurons to examine the role of PGs in toxicity of RAs. My thesis project and my future postdoctoral studies will provide a rich training experience that will prepare me for a career as an independent investigator leading a rigorous research program at the nexus of aging and glial biology.
摘要/项目摘要 反应性星形胶质细胞(RA)是正常衰老和神经退行性变的一个特征。 RA 彻底改变了他们的 形态和基因表达,显着增加胶质纤维酸性蛋白(GFAP)的表达 对损伤或炎症的反应。 GFAP 是成熟星形胶质细胞的主要中间丝蛋白。 GFAP 的常染色体显性突变会导致罕见且致命的脑白质营养不良,即亚历山大病 (AxD)。在 AxD 患者的星形胶质细胞会积聚病理性 GFAP 聚集体(罗森塔尔纤维;RF)并成为 反应性的。然而,超过 70 种不同的 GFAP 突变与 RF 形成和其他疾病相关的机制 - AxD 的相关表型仍然未知。我广泛的初步数据表明,异常 磷酸化促进 GFAP 聚集,这种修饰是 AxD 严重程度的标志, 与疾病突变无关。此外,我表明位点特异性 GFAP 磷酸化与 caspase-6 的蛋白水解作用增加,但两者是否直接相关尚不清楚。我假设 酪蛋白激酶 (CK2) 和 caspase-6 之间的协调串扰可促进有缺陷的 GFAP 蛋白质稳态加剧 AxD 星形胶质细胞的反应表型。对于F99阶段,我建议使用 抑制 CK2 和 caspase-6 活性的药理学和遗传学策略,以表征其作用 在体外使用我开发的星形胶质细胞模型(目标 1.1),并在体内使用 AxD 小鼠模型(目标 1.2)。我将掌握使用 CRISPR/Cas9 进行 iPSC 基因编辑以生成 CK2 和 caspase-6 敲除以及 iPSC 星形胶质细胞和神经元的处理和分化(目标 1.1),我将把这些技术应用到我的 博士后项目(目标2)。对于 K00 阶段,我将研究 RA 在阿尔茨海默病中的功能 Mel Feany 博士的实验室。蛋白多糖 (PG) 是衰老和衰老过程中上调程度最高的基因之一 RA。 Feany 博士实验室的初步数据确定了 PG 与模型之间的遗传相互作用 果蝇的神经变性。我假设 RA 会导致细胞外基质中的 PG 失衡, 这创造了一个抑制神经元生长和重塑的环境。建立机械模型 AD 大脑中已知发生的变化,我将开发一种新模型,通过在 不同刚度的基材。此外,我将在 iPSC 中生成候选 PG 的淘汰赛, 将它们区分为反应性和非反应性星形胶质细胞。我将使用体内飞行模型和 iPSC 的共培养物- 星形胶质细胞和神经元来检查 PG 在 RA 毒性中的作用。我的论文项目和我的未来 博士后学习将提供丰富的培训经验,帮助我为独立职业生涯做好准备 研究人员领导了一项关于衰老和神经胶质生物学关系的严格研究项目。

项目成果

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