Authors:	Kromm, Tanja
Title:	Mitochondriale Dysfunktion in der Pathogenese der Parkinson-Krankheit und der protektive Einfluss von Phenothiazin
Online publication date:	11-Jun-2020
Year of first publication:	2020
Language:	german
Abstract:	Die Parkinson-Krankheit (PD – Parkinson's disease) stellt eine neurodegenerative Erkrankung dar, in deren Pathogenese der oxidative Stress eine kausale Rolle spielt. Die Mitochondrien sind hier entscheidend, da sie die Hauptquelle für zelluläre reaktive Sauerstoffspezies darstellen. Die Funktionalität der Mitochondrien wird durch die mitochondriale Homöostase, bestehend aus den Systemen der Biogenese, der Fission und Fusion sowie der Mitophagie, aufrechterhalten. In der vorliegenden Arbeit wurde die mitochondriale Homöostase in der Pathogenese der Parkinson-Krankheit und in diesem Zusammenhang die protektive Rolle des Antioxidans Phenothiazin analysiert. Der Komplex I-Inhibitor Rotenon wurde als Modell-Substanz für die PD verwendet. Die Untersuchungen ergaben eine verstärkte Schädigung der Mitochondrien unter dem oxidativen Einfluss von Rotenon, was zu einer Hochregulation der Proteine von Fission und Mitophagie führte. Demgegenüber kam es im zellulären Parkinson-Modell zu verstärkten kompensatorischen Regenerationsvorgängen im mitochondrialen Netzwerk. Dies wurde in der verstärkten Induktion von Proteinen der mitochondrialen Fusion und Biogenese deutlich. In diesem Zusammenhang wurden außerdem Proteine der Makroautophagie hochreguliert, was auf den erhöhten mitochondrialen Abbau und auf die verstärkte Proteinaggregation zurückzuführen wäre. Dies verdeutlicht, dass die einzelnen Systeme der mitochondrialen Homöostase in einer abgestimmten Abhängigkeit interagieren, um ein intaktes mitochondriales Netzwerk zu gewährleisten. Die starke Kompensationsleistung der mitochondrialen Homöostase kann in der Pathogenese der PD von der Zelle vermutlich nicht dauerhaft aufrechterhalten werden, weswegen es schließlich zur charakteristischen Neurodegeneration kommt. Bei der Untersuchung der mitochondrialen Proteine PINK1 und Mitofusin 1 unter der Behandlung mit Rotenon wurde eine Regulation in den Proteinspiegeln von Mitofusin 1 Isoform 3 entdeckt. Analysen auf molekularbiologischer Ebene ergaben, dass die Proteine PINK1 und Mitofusin 1 Isoform 3 in der Lage waren sich gegenseitig zu regulieren. Vermutlich stellt Mitofusin 1 Isoform 3 ein Protein der Mitophagie dar, welches im Zusammenhang mit PINK1 agiert. Die Therapie der PD erfolgt zurzeit rein symptomatisch, weswegen der präventive Einfluss des Antioxidans Phenothiazin in der Pathogenese dieser Erkrankung untersucht wurde. Durch die antioxidative Wirkung von Phenothiazin wurde die Induktion der mitochondrialen Homöostase und der Autophagie im zellulären PD-Modell verringert. Damit wurde die neuroprotektive Wirkung von Phenothiazin im PD Modell deutlich. Diese äußerte sich bereits im nanomolaren Konzentrationsbereich, womit die hohe Potenz von Phenothiazin belegt wird. Diese Tatsache und die niedermolekulare, lipophile chemische Struktur des Phenothiazins sollten eine zerebrale Bioverfügbarkeit im PD-Patienten ermöglichen. Damit stellt das Phenothiazin einen möglichen präventiven Wirkstoff in der Therapie der PD dar. The Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenerative disorder. Throughout its pathogenesis, the cellular oxidative stress maintains a causal role, where mitochondria are of crucial importance acting as the key source for cellular reactive oxygen species. In order to maintain function, mitochondria rely on mitochondrial homeostatis which includes the systems of biogenesis, fission/fusion and mitophagy. This study explored the mitochondrial homeostasis in the pathogenesis of Parkinson’s disease. Furthermore, it analyzed the protective role of the antioxidant phenothiazine in the present context. The complex I inhibitor rotenone has been used as the model substance for the PD. The findings revealed increased mitochondrial damage as a result of the oxidative effect of rotenone leading to an upregulation of the proteins of fission and mitophagy. By contrast, increased compensating regeneration processes could be observed throughout the mitochondrial network in the cellular model of PD. This became clear through an increased induction of proteins of mitochondrial fusion and biogenesis. Furthermore, an upregulation of proteins concerning macroautophagy occurred, presumably to keep up with the elevated rate of mitochondrial degradation and increased protein aggregation. This shows that the particular systems of the mitochondrial homeostasis interact in a harmonized mutually dependent manner in order to facilitate an intact mitochondrial network. The intensified compensation rate of the mitochondrial homeostasis in the pathogenesis of the PD could probably not be maintained permanently by the cell, thus causing the characteristic neurodegeneration over time. Throughout the examination of the mitochondrial proteins PINK1 and mitofusin 1 under treatment of rotenone, a regulation in protein levels of mitofusin 1 isoform 3 has been identified. Molecular biological analysis unveiled that the proteins PINK1 and mitofusin 1 isoform 3 were able to regulate each other. It can be assumed that mitofusin 1 isoform 3 is a protein of the mitophagy process where it acts together with PINK1. The present therapy of the PD is merely symptomatic. Therefore the preventive influence of the antioxidant phenothiazine has been studied in the pathogenesis of the PD. The induction of the mitochondrial homeostasis and autophagy in the cellular PD-model has been reduced due to the antioxidative effect of phenothiazine, highlighting its neuroprotective effect in the PD-model. The neuroprotection was already expressed in a nanomolar concentration range, which underlines the potency of phenothiazine. This fact and the low molecular, lipophilic chemical structure of phenothiazine should allow for a high cerebral bioavailability in PD patients. Therefore, phenothiazine represents a possible preventive active compound for the therapy of the Parkinson’s disease.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 04 Medizin
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1652
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000035767
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	V, 130 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen