Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-4418
Authors: Mersmann, Nadine
Title: Gene therapy for a novel mouse model of Canavan disease
Online publication date: 6-May-2013
Language: english
Abstract: Canavan disease (CD) is a rare leukodystrophy caused by loss-of-function mutations in the gene encoding aspartoacylase (ASPA), an oligodendrocyte-enriched enzyme. It is characterised by the accumulation of the ASPA substrate N-acetylaspartate (NAA) in brain, blood and urine, leading to a spongiform vacuolisation of the brain, severe motoric and cognitive impairments and premature death. To date, no therapy is available due to the lack of a gene-transfer system allowing transgene expression in oligodendrocytes (OLs) and the restoration of the missing enzyme. Hence, the aim of this study was to establish a novel gene-transfer system and its preclinical evaluation in a CD animal model.rnIn the first part of this thesis, a novel ASPA mouse mutant was generated. A βgeo cassette (including the genes encoding β-galactosidase and neomycin) flanked by frt sites was inserted into intron 1 of the intact aspa gene. Additionally, exon 2 was flanked by loxP sites for optional conditional deletion of the targeted locus. The resulting ASPA-deficient aspalacZ/lacZ-mouse was found to be an accurate model of CD and an important tool to identify novel aspects of its complex pathology. Homozygous mutants showed a CD-like histopathology, neurological impairment, behavioural deficits as well as a reduced body weight. Additionally, MRI data revealed changes in brain metabolite composition. rnRecombinant adeno-associated viral (rAAV) vectors have become a versatile tool for gene transfer to the central nervous system because they are efficient, non-toxic and replication-deficient. Based on the natural neurotropism of AAV vectors, AAV-based gene delivery has entered the clinics for the treatment of neurodegenerative diseases. However, the lack of AAV vectors with oligodendroglial tropism has precluded gene therapy for leukodystrophies. In the second part of this work, it was shown that the transduction profile of established AAV serotypes can be targeted towards OLs in a transcriptional approach, using the oligodendrocyte-specific myelin basic protein (MBP) promoter to drive transgene expression in OLs.rnIn the last part of this work, the therapeutic efficacy of AAV-mediated aspa gene transfer to OLs of juvenile aspalacZ/lacZ mice was evaluated. AAV-aspa injections into multiple sites of the brain parenchyma resulted in transduction of OLs in the grey and white matter throughout the brain. Histological abnormalities in the brain of ASPA-deficient mice were ameliorated and accompanied by a reduction of NAA levels. Furthermore, the treatment resulted in normalisation of body weight, motor function and nest-building behaviour. These data provide a proof-of-concept for a successful gene therapy of Canavan disease. This might pave the way towards translation into clinical application and serve as the basis for the genetic treatment of other leukodystrophies.
Morbus Canavan (CD) ist eine seltene Leukodystrophie, die durch eine „loss-of-function“-Mutation im aspa-Gen entsteht. Dieses Gen kodiert für das ASPA-Protein, das in Oligodendrozyten angereichert ist. Kennzeichnend für CD ist die Akkumulation des ASPA-Substrats N-Acetylaspartat (NAA) im Gehirn, Blut und Urin. Dies führt bei CD-Patienten zu einer spongiformen Vakuolisierung des Gehirns, zu schweren motorischen und kognitiven Defiziten sowie zum Tode vor Erreichen des Erwachsenenalters. Bisher gibt es keine kurative Therapiemöglichkeit, da ein virales Gentransfersystems fehlt, welches es ermöglicht, Transgene in Oligodendrozyten zu exprimieren und dadurch das fehlende Enzym zu ersetzen. Das Ziel dieser Arbeit war die Etablierung eines solchen Gentransfersystems und dessen präklinische Evaluierung in einem CD-Mausmodell. rnIm ersten Teil dieser Arbeit wurde zunächst ein neues ASPA-defizientes Mausmodell hergestellt. Dazu wurde eine von frt-Sequenzen flankierte βgeo-Kassette, die für β-Galaktosidase und Neomycin kodiert, in das Intron 1 des aspa-Gens eingefügt. Außerdem wurde zur optionalen konditionalen Deletion das Exon 2 des aspa-Gens mit loxP-Stellen flankiert. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Mausmodell das klinische Bild der Krankheit widerspiegelt und als wichtiges Instrument zur Aufklärung der komplexen Pathologie dienen kann. Homozygote aspalacZ/lacZ-Mäuse zeigen eine CD-typische Histopathologie, neurologische Störungen, motorische Defizite sowie ein verringertes Körpergewicht. Außerdem zeigen MRT-Daten Veränderungen in der Metabolitzusammensetzung des Gehirns.rnRekombinante adeno-assoziierte virale (rAAV)-Vektoren haben sich zu einem vielseitigen Werkzeug für den Gentransfer in das zentrale Nervensystem entwickelt, da sie effizient, nicht-toxisch und replikationsdefizient sind. Aufgrund ihres inherenten Neurotropismus werden sie bereits klinisch in der Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen eingesetzt. Allerdings ist die Verwendung der Vektoren zur Therapie von Leukodystrophien bisher nicht möglich, da Vektoren mit oligodendroglialem Tropismus fehlen. Im zweiten Teil dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Transduktionsprofil schon etablierter AAV-Vektoren zugunsten von Oligodendrozyten verschoben werden kann. Dies wurde durch die Verwendung des Myelin-basisches-Protein-Promotors (MBP-Promotors) erreicht, der auf transkriptioneller Ebene die Expression von Transgenen in Oligodendrozyten ermöglicht.rnIm letzten Teil der Arbeit wurde die therapeutische Effizienz des AAV-vermittelten aspa-Gentransfers in Oligodendrozyten junger, ASPA-defizienter Mäuse untersucht. Multiple, parenchymale AAV-aspa Injektionen resultierten in einer Transduktion von Oligodendrozyten, sowohl in der weißen, als auch in der grauen Substanz im gesamten Gehirn. Dies führte zu einer Verringerung der NAA-Konzentration im Gehirn der behandelten Tiere und zu einer deutlichen Abnahme der histologischen Schäden des Gehirns. Außerdem führte die Behandlung zur Normalisierung des Köpergewichts und zur Verbesserung motorischer Fähigkeiten. rnDiese Arbeit stellt damit eine „proof-of-concept“-Studie für die erfolgreiche gentherapeutische Behandlung von Morbus Canavan dar. Außerdem können diese Ergebnisse den Weg in die klinische Anwendung ebnen und als Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Therapiestrategien für weitere Leukodystrophien dienen.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4418
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 146 S.
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