Cell-type specific changes in gene-networks in the human brain: towards a selective Alzheimer therapeutic target
Projectomschrijving
Het onderzoek richt zich op het identificeren van genregulerende netwerken, gebaseerd op moleculaire veranderingen in microglia en astrocyten uit post-mortem hersenen van mensen met de ziekte van Alzheimer. Het consortium beschikt over de benodigde expertise en heeft met een korte post-mortem vertraging toegang tot een substantieel aantal goed gedocumenteerde menselijke hersenweefsels.
Doel
Het doel van het project is inzicht te verkrijgen in de moleculaire veranderingen in celpopulaties in het menselijke Alzheimerbrein, van patiënten die lijden aan de niet-familiale vorm van de ziekte. Dit is cruciale informatie, omdat de AD-muismodellen de ziekte slechts gedeeltelijk nabootsen en gebaseerd zijn op de erfelijke vormen van AD.
Aanpak
In het project is onderzocht wat er precies gebeurt in de verschillende typen gliacellen, die eiwitklontjes in het brein opruimen, tijdens het proces van dementie. Dit vindt plaats met behulp van hersenweefsel van Alzheimerpatiënten en hun familieleden uit de Nederlandse Hersenbank. In dit project hebben wij met behulp van moleculair genetische methoden gezocht naar mogelijke oorzaken en mechanismen van de ziekte van Alzheimer (AD). Dit hebben we gedaan met hersenweefsel van pas overleden AD patiënten waarbij we specifiek gekeken hebben naar de immuuncellen van de hersenen, de glia cellen (microglia en astrocyten). Allereerst vonden we dat er maar weinig verschil is tussen de genexpressie van microglia cellen van oude en jonge mensen.
In AD plaques (i.e. de plaatsen waar eiwit klontering optreedt) uit de hersenen van AD patiënten vonden we hersenontsteking die terug te herleiden is op de onstekingsactiviteit van microglia. We hebben geprobeerd om microglia en astrocyten uit AD plaques te isoleren om de genexpressie van deze ontsteking beter te onderzoeken. Dit lukte niet goed, waarschijnlijk omdat de gliacellen in plaques erg fragiel zijn. Tijdens het project hebben we nieuwe technieken ontwikkeld waarmee celkernen uit hersenen van AD patiënten geïsoleerd kunnen worden waardoor we de genexpressie van de hersenontsteking in AD patiënten alsnog kunnen onderzoeken.
Samenwerkingspartners
Pfizer, de Nederlandse Hersenbank, de Universiteit van Sao Paulo, Abbvie
Resultaten
Het onderzoek heeft vastgesteld dat verouderingsgerelateerde transcriptoom veranderingen in humane microglia verschillen van die van de muis. Het project heeft daarbij transcriptoom profielen van microglia en astrocyten van controles en mensen met Alzheimer opgeleverd. Tijdens het project ziin nieuwe technieken ontwikkeld waarmee celkernen uit hersenen van mensen met Alzheimer wel geïsoleerd kunnen worden.
Vervolg
In een vervolgproject met het Universitair Medisch Centrum Utrecht en het VUMC gebruiken we de nieuw ontwikkelde technieken om te kijken naar ziekte verschijnselen in de eerste vroege fase van de ziekte van Alzheimer. Samen met de farmaceutische industrie zetten we onze nieuwe technologie ook in voor de ontwikkeling van geneesmiddelen voor de ziekte van Alzheimer.
Een vervolgproject Amyloid-triggered glia response: the first step towards dementia? binnen Memorabel fase II, heeft voortgebouwd op de samenwerkingen en bevindingen van dit project.
Meer informatie
Verslagen
Eindverslag
Samenvatting van de aanvraag
Alzheimer’s disease (AD) is the main cause of dementia in elderly and from an epidemiological and economic perspective AD poses a major challenge to our society. In spite of considerable research efforts, there is still no effective therapy that can prevent, hold, or reverse the disease progression. Clearly the identification of novel, effective drug targets and subsequent development of novel drugs has utmost priority. Neuropathologically AD is characterized by amyloid-beta (A-beta) aggregates forming extracellular plaques, by intraneuronal accumulation of abnormally phosphorylated tau (tangles), and by plaque-associated reactive microglia and astrocytes. Molecularly AD pathogenesis is likely to start with an increased production or decreased degradation of A-beta, leading to A-beta oligomerization and fibrils. The current consensus in the field is that oligomers are the culprit and that they trigger synaptic loss and neuronal degeneration. However, they also induce microglia activation and reactive astrogliosis. A major unsolved question is: which of these molecular and cellular changes are the initiators of dementia in AD patients? In the 90’s causative gene mutations (APP, PSEN1 and PSEN2) were uncovered in a small patient subset, but this knowledge has not led to a cure. Therefore, the current challenge in AD research is to pinpoint the general primary cause of dementia in the majority of the non-familial AD cases, which is essential to identify generally effective therapeutic targets. For this we need an exact account of the molecular changes at the cellular level during AD disease progression. At present, genome wide expression studies on AD mouse- and patient brains, have concealed specific changes during disease progression. We propose a novel approach involving genomic analysis of specific cell populations, isolated from post-mortem human AD brains. The detailed account on the transcriptional changes at a cell-type specific level at different AD Braak stages will enable us to model the AD pathogenesis with cellular resolution. This will provide novel and selective targets for drug development. The feasibility of this approach to determine the molecular pathogenesis at the cellular level is supported by previous achievements of our groups: - Cell-type specific gene expression analysis in an AD mouse model revealed novel mechanisms involved in AD pathogenesis. We showed that the immunoproteasome is significantly activated in AD and we identified a dominant astrocyte based gene expression network that contains novel signalling pathways relating to AD pathogenesis. - In a meta analysis study on brain cell-type specific gene expression profiles obtained from different mouse models for aging and AD, we identified networks that relate to joint signalling pathways that are associated both with aging and AD pathogenesis. However, we have also found gene clusters that are specifically related either to aging or to the AD disease process. We aim at identifying gene regulatory networks, based on molecular changes in microglia and astrocytes acutely isolated from post-mortem brains of controls and AD patients. We will start with tissue sampling of post mortem non-demented control and AD brains, and isolation of astrocytes and microglia followed by extraction of RNA. The RNA expression profiles of the different cell-types will be determined using RNA sequencing, which will be performed by our partner Pfizer (in collaboration with the Boddeke and Hol labs), together we will also perform the bioinformatics analysis. Cell-specific gene expression network analysis will be correlated to AD pathology. Targets will be validated in human brain tissue at RNA and protein level with quantitative PCR and immunocytochemical techniques. Our current data support the feasibility of the proposed approach, which will provide unique insight into cell-type specific gene regulatory networks and their changes during the progression of AD. The major deliverables of the proposal will contain the most detailed account of molecular changes in glia during AD pathogenesis, novel drug targets, and potential novel biomarkers.