Choroby NS Je více než 5000 genetických chorob jež postihují i NS Linkage approach Familial disorders $=5 Microsatelíite map ^<- Genome scan 3 4r's i/ - -L Fine mapping - SNP map Population genetics ^LD approach ^ Critical region I Common variants Disorders with founder effect Whole genome/exome sequencing- ^ Positional cairödates^^ Mutation screening ( Allelic association ) Human genome sequence Mouse genome sequence > Btoinformatics Disease gene i f—-* identification t -v. a prion candidates ) Biochemistry Physiology Behaviour &■ Gene function í Candidate gene approach 1 Highly heterogeneous disorders Sporadic disorders Poruchy vývoje NS čím dříve se gen zapojuje do vývoje NS - tím vážnější důsledky jeho mutací - Defekty neurální trubice (NTD) - malformace mozku a míchy - rozštěpové vady - anencefalie, spina bifida (rozštěp páteře) - role metabolismu folátu a methioninu MTHFR - běžný polymorfismus 665C/T (A222V) - enzym termolabilní s T alelou (TT genotyp - zvýšené riziko spina bifida) - zvýšená dodávka folátu (kyselina listová) těhotné ženě - prevence - metabolismus folátu (vitamín B9, B12), homocystein —> methionin - mutace v MTHFR - deficience - mikrocephalie, psychomotor retardace i další geny v této biochem. dráze asociovány s NTD - MTR (methionine synthase) methionine synthase reductase (MTRR) vliv genotypu matky i plodu + aiiUli > AnyiaKinSlrt II ■Ů Haut ai agu I itfiLwi ĺ h InuUlidi Proper functioning helps reduce risks of: • Infection • Cell disrepair • Wrinkles • inflamed gut • Lack of new brain cells • Stress Food THF Proper functioning helps reduce risks of; • Neural tube defects • Disabilities conceiving • Lack of B12 • Lack of energy • Cancer • Pernicious anemia • Not waking from anesthesia 5,10 Methyl THF Proper functioning helps reduce risks of: • Decreased energy Proper functioning helps reduce risks of: • Decreased muscle tone 5 Methyl THF Proper functioning helps reduce risks of: • Heart disease • Neural tube defects • Disabilities conceiving • Cancer Proper functioning helps reduce risks oft • Heart disease • Diabetes • AJzheimers • Stroke Homocysteine Proper functioning helps reduce risks of: Higher levels of ammonia Brain fog |i 1 iJOXl * ^owns syndrome ^^^^J Ammonia Pi Sulfites Proper functioning helps reduce risks of: • Higher levels of sulfites • Sensitivity to sulfites • Acid reflux • Migraines Poruchy vývoje NS BCH - benigní hereditární chorea - porucha vývoje bazálních ganglií - porucha pohybu (připomíná Huntingtona) - dominantní dědičnost - mutace TF TITF1 (thyroid TF 1) Septo-optická dysplazie (SOD) - recesivní dědičnost - porucha vývoje středního mozku, hypofýzy - porucha vývoje očního nervu - TF HESX1 - homeodoména - mutace v DNA-vazebné doméně - heterozygoti - různá míra penetrance Holoprosencefalie (HPE) - je nevytvoření či neúplné oddělení jedné hemisféry mozku - mutace 6 genů - např. sonic hedgehog SHH - pravděpodobně nutná mutace více z nich - porucha TGFbeta signální dráhy Poruchy vývoje NS Table 15.1 Disorders of early neurogenesis, CNS patterning and neuronal migration Disorder type Neural-tube defects Disorder Symbol OMIM 6ene(s) Symbol Location Neural-tube defect. NTDFS 601634 5,10-methylenetetrahydrofolate MTHFR 1p36.3 folate-sensitive reductase 5,10-methylenetetrahydrofolate MTHFD1 14q24 dehydrogenase Holoprosencephaly HPE2 157170 Sine oculis homeobox SIX3 2p21 gene homologue 3 142945 Sonic hedgehog SHH 7q36 HPE4 142946 TG interacting factor TCIF 18p11.3 HPE5 603073 Zinc finger protein of ZIC2 13q32 cerebellum 2 HPE7 601309 Patched, Drosophila, PTCH 9q22.3 homologue of Forebrain midline defects 187395 Teratocarcinoma-derived TDGF1 3p23-p21 growth factor 1 Smtth-Lemli-Opitz syndrome SLOS 270400 7-dehydrocholesterol reductase DHCR7 11q12-ql3 (7-DHCR) Chorea, hereditary benign BCH 118700 Thyroid transcription factor 1 TITF1 14q13 Septo-optic dysplasia SOD 182230 Homeobox gene expressed HESX1 3p21.2-p2U in ES cells Sanjad-Sakati syndrome and HRD/AR-KCS 241410 Tubulin-specific chaperone E TBCE 1q43-q44 autosomal recessive 244460 Kenney-Caffey syndrome Aniridia, type II AN 2 106210 Paired and homeodomain protein 6 PAX6 1lp13 Schizencephaly 269160 Empty spiracles homeobox gene EMX2 10q26.1 homologue 2 Poruchy proliferace progenitorů Primární autozomálně recesivní mikrocefalie (MCPH) - mutace mikrocefalinu (MCPH1) - vysoká exprese ve vývoji předního mozku - stimulace proliferace progenitorů - mutace - méně kortikálních neuronů - regulace buněčného cyklu a DNA reparace Amish microcephaly (MCPHA) - porucha funkce mitochondrií - gen SLC25A19 - transport dNTP Poruchy migrace neuronů Kallmanův syndrom - mutace ECM proteinu anosminu a FGFR1 genu - ztráta čichu (anosmie), barvoslepost, hluchota - porucha vývoje čichového laloku - KAL1 - X chr - častější u mužů Celá řada chorob vedoucích k lissencefalii - absence některých struktur v šedé kůře mozkové gen LIS1 - interakce s dyneinem a mikrotubuly DCX gen (doublecortin) - protein asociovaný s mikrotubuly - regulace stability a tvorby svazků (bundling) - exprese výhradně v NS (marker neuronů) FLNA (filamin) - organizace aktinové sítě RELN (reelin) - sekrece Cajal-Retzius neurony - nejsvrchnější vrstva kůry - vazba na apoE a VLDLR membrán migrujících neuronů (signál pro migraci) Poruchy vývoje NS Growth/proliferation/ progenitor apoptosis Neuronal migration Microcephaly, primary, autosomal recessive MCPH1 MCPH5 Amish microcephaly MCPHA Opitz syndrome OS Hoyeraal-Hreidarsson syndrome HHS Kallman syndrome KALI KAL2 Hirschsprung disease Miller-Dieker lissencephaly/ Lissencephaly 1 [Subcortical band heterotopia] Lissencephaly, X-linked, with ambiguous genitalia Lissencephaly, X-linked Lissencephaly syndrome, Norman Roberts type [Lissencephaly with cerebellar hypoplasia] Periventricular heterotopia Walker-Warburg syndrome Fukuyama congenital muscular dystrophy Muscle-eye-brain disease HSCR MDS LISI [SBH] XLAG USX LCH PH wws FCMD MEB 251200 607196 300000 300240 308700 147950 235730 247200 and 607432 300067 257320 300049 236670 253800 253280 Microcephalin Abnormal spindle, microcephaly-associated Deoxynucleotide carrier Midline-1 Dyskerin Anosmin-1 Fibroblast growth factor receptor 1 Smad interacting protein-1 Platelet-activating factor acetylhydrolase, isoform 1 b, a subunit 300215 Aristaless homologue, X chr. Doublecortm Reelm Filamin A Protein O-mannosyltransferase 1 Fukutin Protein O-mannose ß-1,2-/V-acetylglucosaminyltransf erase MCPH1 ASPM DKC1 KALI FGFR1 ARX OCX RELN FLNA POMT1 FCMD 8p23 1q31 SLC25A19 17q25 MIDI Xp22.3 Xq28 Xp22.3 8p11.2-pll.l 5MADIP1 2q22 PAFAH1B1 17p13.3 [US1! Xp22.13 Xq22.3-q23 7q22 Xq28 9q34.1 9q31 POMGNT1 1 p34-p33 Poruchy diferenciace a maturace neuronů Chybějící neurony v CNS - poruchy migrace - smrt neuronů Rettův syndrom - redukce postnatálního růstu mozku, při narození normální - normální vývoj do 6-18 měsíce života - pak stagnace až regrese vývoje - ztráta komunikačních dovedností, poruchy pohybu rukou, záchvaty, poruchy dechu - mutace MECP2 - regulace chromatinu a modifikace histonů - i další geny - CDKL5, FOXG1, NTNG1 ... - skoro výhradně u žen - po Down-syndromu nejčastější syndrom s mentální retardací u žen - muži většinou umírají během embryonálního vývoje nebo brzy po narození - porucha maturace neuronů (méně větvené dendrity, menší objem mozku ...) - patří do autism spectrum disorders ASD - Rett syndrom, Asperger syndrom, Heller syndrom, autismus Rettúv syndrom b ill 12 m, 1H m. 2 r. ."í i. M r. ■13 lI L Ll ľ. J_L 1. štádium sta^iiati* vývoje 2. štádium reyrcs. vývoje ytrata ŕeŕi u jemne motoriky. stťreulypni p^ihyby rukou J. íiáditím iicpuviLLlinc dýelsáni záchvaty ^. íhoríipváni imiloríkv .............i........ Ml...............I..............IH 015816730169168201601673019016014830 7301681692013016^^^^^01681^^^0160167 498662 Autism spectrum disorders ASD - komplexní a multifaktoriální, heterogenní skupina onemocnění - poruchy komunikace, socializace, opakování a stereotypy v chování patogeneze - několik teorií - kombinace rizikových faktorů (genetické + environmentálni) - obecně poruchy v organizaci neuronů v prefrontálním kortexu - poznávání lidí, ... - poruchy propojení, tvorby synapsí, jejich maturace, migrace, proliferace, diferenciace - porucha tvorby neuronové sítě - porucha funkcí amygdaly - sociální interakce (neradi tělesný kontakt) - poškození amygdaly u opic po narození - pohybové stereotypy, chybí oční kontakt - sociální izolace - porucha maturace neuronů, snížená konektivita (corpus calosum, frontal cortex ....) - porucha myelinizace bílé hmoty - strukturní změny v mozku, změny na funkční MRI autismus vysoká heritabilita, častěji u mužů řada cytog e n etických abnormalit spojených s autismem (syndrom fragilního X ...) - vzácně i monogenní formy - NLGN3 a NLGN4 - neuroliginy - X. chr. (muži) - neurexiny - interakce s neuroliginy - neuroliginy - adhezivní molekuly především na povrchu dendritů - zprostředkování kontaktů mezi pre a post-synaptickým neuronem Asociace (ale poměrně slabé a často nepotvrzené v dalších studiích) geny důležité pro maturaci synapsí - neuroliginy, FMR1, kadheriny, SHANK proteiny (celá řada PSD proteinů) ale i mutace v receptorech a transportérech pro neurotransmitery, ... u % autistů - zvýšená hladina serotoninu (serotonin důležitý ve vývoji mozku - kauzalita s ASD??) častá mitochondriální dysfunkce, i mutace mtDNA genů, UPS geny polymorfismy - reelin, serotonin transportér SLC6A4 - etiologie stále nejasná - vysoká prevalence gastrointestinálních problémů - poruchy imunity NUCLEUS G Methyl group Q Lysine demethylase ~1 Other chromatin remodeler I Reader □ Lysine mcthyltransfc-rose □ Tfan&c/iption factors ■ Ubiquiline ligase SYNAPSE ■ Channels □ Uhiqumn lipases I Coll adhesion proteins □ Scaffolding proteins □ Phosphatase ■ Viruses □ Other ■ Adaptor proteins □ FDR>0.01 Rizikové faktory ASD - věk rodičů, léky během těhotenství, těhotenský diabetes - počet těhotenství, nízká porodní váha, obezita matky - infekce během těhotenství —► období těhotenství (zima t riziko) - environmentálni faktory (těžké kovy, ovzduší, pesticidy, ...) - výživa matky (minerály, vitamíny, folát, ...) fMRI - identifikace řady regionů v mozku - různá aktivita při různých typech testů u osob s ASD oproti zdravým jedincům i epigenetická dysregulace u ASD Central Nervous System Gastrointestinal System Poruchy imunity: vyšší riziko u matek s autoimunit chorobou v těhotenství změněné hladiny protilátek protilátky proti fetálním proteinům asociace s hladinou prozánětlivých cytokinů vyšší riziko u matek s infekcemi během těhotenství Brain n. !- ■ r i ■ .11 n l rvou i-iyxbtfn-Origin jting m-flbVcrll-aLtivfltion triggers Adenylate-cydjse-attivatinq ptpixte, calcitonin gene-relaied peptkle, corwostropln-releaslng hormone, myelin basic protein, nerve growth haai, neurotensin, substance P I nleiline-Originating m-ait till Iriggfn Butyiophilin, CdMjIin. Cksitt'tdiumótlkitc tun-i\. gliAdin, glkilťn, intrrlrukin-], intrrleukin-äJ,lipOf»4ylíffl«ririr. neurotensin, reactive oxygen Speties, rOUvinil, WloJtUvp inlrllinal peptide Autism spectrum disorders Terapie (spíš modulace chovaní, psychického stavu) - farmakoterapie - deprese - úzkost - agresivita, podrážděnost - nepozornost - nespavost - impulsivita - různé příklady psychoterapie/sociální terapie - v rodinách, školách ... - jak správně přistupovat k autistům Poruchy diferenciace a maturace neuronů Celá řada monogenních forem mentální retardace - často vázané na X chr. - porucha maturace neuronů - porucha funkce neuronů - mutace genů pro transport váčků uvolňování neurotransmiterů signální transdukci ... Disorder category Disorder type Disorder Symbol OMIM Gene{s) Symbol Location X-linked mental retardation (XLMR) Autism, X-linked 300425 Syndromic Non-syndromic Neuroligin 3 Neuroligin 4 NLGN3 NLGN4 Rett syndrome RTT 312750 Methyl-CpG-bindmg protein-2 MECP2 X-linked myoclonic epilepsy with spasticity and intellectual disability and MRX54 XMESID and MRX54 300382 Aristaless homoiogue, X chr. ARX Mental retardation, aphasia, shuffling gait, and adducted thumbs [MASA syndrome] [CRASH syndrome] MASA and CRASH 303350 LI cell adhesion molecule L1CAM X-linked mental retardation with epilepsy, rostral ventricular enlargement enlargement and cerebellar hypoplasia MRX60 300127 Oligophrenin 1 OPHN1 X-linked, non-specific mental retardation MRX41, MRX48 300104 Rab GDP-dissociation inhibitor a; a-GDi GDI! Xq13 Xp22.3 Xq28 Xp22.13 Xq28 Xq12 Xq28 MRX34 300426 MRX30 300142 IL1 receptor accessory protein-like p21 -activated kinase 3 [oligophrenin 3] IURAPL Xp22.1-p21.3 PAK3 Xq22 [OPN3I Poruchy diferenciace a maturace neuronů Mutace genů pro enzymy - syntéza molekul plazmatické membrány neuronů - glykolipidů, glykoproteinů - poruchy glykosylace Disease Amino acid Enzyme defect Symptom Arginosuccinic aciduria Arginine Cystathíoninuria Histidinaemia Homocystinuria Hyperammonaemia Maple syrup urine disease (MSUD) Phenylketonuria Tyrosinaemia Methionine Histidine Methionine Ornithine Leucine Isoleucine Valine Phenylalanine Tyrosine Arginosuccinase Cystathioninase Histidase Cystathionine synthetase Ornithine transcarbamylase, arginosuccinase Oxidative decarboxylases Phenylalanine hydroxylase co-factors Tyrosine transaminase Severe mental retardation, abnormal EEG Mental retardation Mental retardation Lens dislocations, osteporosis. mental retardation Nausea, vomiting, mental retardation Seizures, death in infancy Severe mental defects Mental retardation syntéza neurotransmiterů - Segawa syndrom - syntéza dopaminu - mutace tyrozin-hydroxylázy - maturace dopamin. neuronů závislá na tvorbě dopaminu - podobně jako u Parkinsona - defekty sunbstantia nigra Poruchy diferenciace a maturace neuronů Mutace genů pro enzymy Fenylketonurie - porucha přeměny fenylalaninu na tyrozin - defektní fenylalanin hydroxyláza - mentální retardace - akumulace fenylpyruvátů v mozku - porucha oxidace v mitoch. - defekty v myelinizaci mozku - porucha syntézy katecholaminů Dietary protein Phenyípyruvic acid Phenylalanine Tyrosine Phenylketonuria 7 Proteins Dopamine Disorder category Disorder type Disorder Symbol OMIM Gene(s) Symbol Location Disorders of glycosylation Congenital disorder of lipid-linked oligosaccharide assembly and transfer Disorders of W-glycan assembly Disorders of A/-glycan processing MRX46 300346 MRX MRX MRX63 CDGIa CDGIc CDGld CDGIe CDGlf CDGIg CDGIIa CDGIIb CDGltd 300096 300034 300387 212065 603147 601110 603503 604041 607143 212066 606056 607091 Rac/Cdc42 guanine exchange factor 6 Tetraspanin Angiotensin II receptor 2 Fatty acid CoA hgase, long chain 4 Phosphomannomutase 2 ALG6*. S. cerevisiae, homologue of ALG3, 5. cerevisiae, homologue of Dolichyl-phosphate mannosyltransferase 1, catalytic subumt Mannose-P-dolichol utilization defect 1 ALG12, 5. cerevisiae, homologue of GlcNAc-transferase II Glucosidase I p-1,4-galactosyltransferase ARHGEF6 Xq26 TM4SF2 AGTR2 FACL4 PMM2 ALG12 MGAT2 GCS1 B4GALT Xp11 4 Xq22-q23 Xq22.3 16p13.3-p13.2 >4IG6 1p22.3 ALG3 3 DPMI 20q13.1 MPDU1 17p13.1-p12 22 14q21 2p12-p13 9p13 Disorder category Disorder type Disorder Symbol OMIM Gene(s) Symbol Location Disorders of N- and O-glycan processing CDGIIc 266265 GDP-fucose transporter! FUCT1 11 Other disorders Smith-Magenis syndrome SMS 182290 Retinoic acid induced 1 RAI1 17p11.2 Fibrosis of extraocular muscles, congenital 2 FEOM2 602078 Anstaless homeobox, Drosophila. homologue of ARIX 11q13.3-q13.4 Mental retardation, autosomal recessive 249500 Neurotrypsin PRSSU 4q24-q25 Dyggve-Melchior-Clausen dysplasia DMC 223800 FU90130 18ql2-q21.1 Agenesis of the corpus callosum, with neuronopathy ACCPN 218000 Solute carrier family 12, member 6 [JC-Cr- cotransporter, KCC3] SLC12A6 I5ql3-q14 Segawa syndrome, autosomal recessive iDopa-responsive dystonia, autosomal recessive] 605407 Tyrosine hydroxylase TH 11 pi 5.5 Segawa syndrome, autosomal dominant/ Dystonia, progressive, with diurnal variation [Dopa-responsive dystonia, autosomal dominant] DRD 128230 GTP cyclohydrolase 1 GCH1 14q22.1-q22.2 Specific language impairment SLI 602081 Forkhead box P2 FOXP2 7q31 Mucolipidosis type IV MLIV 252650 Mucolipin 1 MCOLN1 19pl3.3-p13.2 Griscelli syndrome, type 1 GS1 214450 Myosin VA MY05A 15q21 Poruchy funkce neuronů Channelopathies (poruchy iontových kanálů) více než 400 iontových kanálů specifické i společné znaky těchto chorob Společné znaky - epizodické, vracející se - záchvaty (epilepsie ...), migrény, ataxie - monogenní choroby často společné znaky s multifaktoriálními (př. různé formy epilepsií) - většinou dominantní dědičnost Ale- - různé mutace v jednom genu různé formy choroby - stejná choroba mutacemi v různých genech (členové genové rodiny) Poruchy funkce neuronů Syndrom fragilního X X chr. vázaná mentální retardace - expanze CGG 5-UTR FMR1 genu polymorfní délka repetice - normálně 7-60 - premutace 60-230 (55-200) - mutace 230-1300 (více než 200) FMR protein - fce - transport mRNAs z jádra do ribozomů v dendritech - regulace translace (i v dendritech) - synaptická plasticita - jeho chybění - změny délky a hustoty dendritických výběžků neuronů - vliv na hustotu synapsí Neurodegenerace Neurodegenerace - ztráta neuronů aktivací apoptózy Expanze trinukleotidových repetic - expanze jsou translatovány - agregace proteolyticky štěpených fragmentů Huntingtonova chorea - škubavé, rychlé bezděčné pohyby - neurodegenrace bazálních ganglií (hlavně oblast striatum) - oproti Parkinsonismu - nadbytek dopaminu - léky jeho inhibitory - smrt cca 15 let od 1. příznaků (40-50 let) - mutace genu huntingtin - regulace transkripce (receptoru pro neurotransmitery) - axonální transport... - CAG repetice (polyglutamin), normál 11-34, nemoc 37-86 Huntingtin - fee Disorder Category Disorder type Disorder Symbol OMIM Gene(s) Symbol Location Triplet repeat disorders Polyglutamine expansion Basal ganglia disease, adult-onset 606159 Ferritin, light chain FTL 19q13.3 Spinobulbar muscular atrophy S8MA 313200 Androgen receptor AR Xq13-q2l Huntington disease HD 143100 Huntmgtin HTT 4p16.3 Dentatorubral-pallidoluysian atrophy DRPLA 125370 Atrophin-1 DRPLA 12p13.31 Spinocerebellar ataxia, type 1 SCA1 164400 Ataxin-1 ATX1 6p23 Spinocerebellar ataxia, type 2 SCA2 183090 Ataxin-2 SCA2 12q24.21 Spinocerebellar ataxia, type 3 [Machado-Joseph disease] SCA3/ MJD1 109150 Ataxin-3 MJD1 14q32.1 Spinocerebellar ataxia, type 6 SCA6 183086 Calcium channel, voltage-gated, otlA subunit CACNA1A I9p13 Spinocerebellar ataxia, type 7 SCA7 164500 Ataxin-7 SCA7 3p21 1-p12 Spinocerebellar ataxia, lype 12 SCA12 604326 Protein phosphatase 2, regulatory subunit B, 0 PR55(J PPP2R2B 5q31-q33 Spinocerebellar ataxia, type 17 SCA17 607136 TATA box-binding protein TBP 6q27 Polyleudne/ Polyalamne expansion Huntington disease-like 2 HDL2 606438 Xinctophilin-3 JPH3 16q24.3 Partington X-linked mental retardation syndrome PRTS 309510 Aristaless homologue, Xchr. ARX Xp21.3-p21 1 Oculopharyngeal muscular dystrophy OPMD 164300 Poly(A)-binding protein, nuclear 1 PABPN1 14q11.2-q13 Congenital central hypoventilation syndrome [Ondme's curse] CCHS 209880 Paired mesoderm homeobox 2B PHOX2B 4p12 Other repeat disorders Pentanucleotide Spinocerebellar ataxia, type 10 expansion SCA10 603516 Ataxin-10 SC AW 22ql3-qter Neurodegenerace Konformační neuronopatie - intra- nebo extra-celulární proteinové agregáty - Alzheimer - Parkinson - Priony - hlavní znak - akumulace celých proteinů nebo jejich fragmentů syntetizovaných neurony - tyto proteiny nabývají nefunkční konformaci Disorder type Disorder Symbol OMIM Gene(s) Symbol Location Major affective disorder 1 [Bipolar affective disorder] MAFD1 125480 Several (disruption or association) G72'G30 13q32-q33 Schizophrenia 181500 Several (disruption or association) Amyioidopathy Alzheimer disease, familial AD1 AD3 AD4 104300 104311 600759 Amyloid precursor protein Presenilin 1 Presenilin 2 APP PSEN1 PSEN2 21q21.2 14q24 3 1q42.3 Alzheimer disease, sporadic AD2 104310 Apolipoprotein E APOE I9q13 2 FAP 176300 Angiotensinogen converting enzyme. ACE DCP1 I7q23 Familial amyloid polyneuropathy Transthyretin TTR 18q11,2-q12.1 Tauopathy Pick disease (PiD); Progressive supranuclear palsy; Frontotemporal dementia; Pallidopontonigral degeneration PSP FTLD/ FTDP-17 PPND 172700 601104 600274 168610 Microtubule-associated protein Tau MAPI I7q21 Prion disease Creutzfeldt-Jakob disease Gerstmann-Straussler disease Familial fatal insomnia Dementia, Lewy body GD GSD FFI DLB 123400 137440 600072 127750 Prion protein PRNP 20pl2 Serpinopathy Encephalopathy, familial, with neuroserpin inclusion bodies FEN IB 604218 Protease inhibitor 12 (Serpinl) PI12 3q26 Synucleinopathy Parkinson disease (PD) PARK! PARK2 PARK5 PARK7 168600/1 600116 191342 168600 606324 a-synuclein Parkin Ubiquitin carboxyl-terminal esterase Nuclear receptor, subfamily 4, Group A, member 2 Synphilin-1 Oncogene DJ-1 SNCA PARK2 UCHL1 NR4A2 SNCA!P DJ-1 4q21-q22 6q25.2-q27 4p14 2q22-q23 5q23.1-q23.3 1p36 Parkinson's disease 200/100,000 ± v 60 letech (ne do 70. roku - nejspíš OK) Symptomy: zpočátku slabé chvění rukou, pak třes končetin, ztuhlost kloubů, zkracování kroku pri chůzi, občasná neschopnost pohybu nebo naopak zastavení pohybu Postiženy oblasti v mozku jež kontrolují pohyb: substantia nigra, corpus striatum, globus pallidus, thalamus výrazné postižení nigrostriatálního systému (ztráta dopaminergních buněk substantia nigra—► až 70 % neuronů —► chybí dopamin) Parkinson's disease léčba symptomů - podávání prekurzorů dopaminu nebo blokátorů jeho odbourávání -dopamin neprochází blood-brain bariérou (ale ty neurony nelze nahradit a stále umírají -potřeba stále vyšších dávek, vedlejší účinky) léčba - pokusy s transplantacemi dopaminergních buněk do mozku, kmenové buňky - kontroverzní zkušenosti z fetal nerve transplantation Léčba - L-Dopa (L-3,4-dihydroxyphenylalanin, levadopa) - z něj v CNS syntéza dopaminu - i další agonisté dopaminu nebo MAO-B inhibitory (i neuroprotekce) stimulace mozku (deep brain stimulation) - u pokročilých stádií PD - implantace elektrody do subtalamického jádra (nebo globus pallidus) - oblasti kontrolující pohyb, slabé elektrické impulsy, stimulace těchto oblastí a zablokování impulsů způsobujících poruchy pohybu, zlepšení motorických funkcí dosud žádný OK biomarker pro časnou diagnózu koenzym Q10, kreatinin (produkce energie) - neuroprotekce Parkinson's disease • Proč ty neurony umírají? • podobné příznaky u uživatelů syntetického heroinu v Kalifornii —> MPTP —> selektivní eliminace buněk substantia nigra —> symptomy podobné PD u lidí i u zvířat • MPTP - v astrocytech oxidován na MPP+, přes systém příjmu dopaminu se dostává do neuronů sustantia nigra • vazba na neuromelanin (pigment buněk substantia nigra), MPP+ blokuje metabolismus mitochondrii (blokuje oxidatívni fosforylaci) • ten MPP+ je strukturně podobný některým herbicidům, pesticidům a insekticidům —> existuje korelace mezi používáním herbicidů a pesticidů v určité oblasti a výskytem PD (nárůst výskytu PD během industrializace) MPTP Paraquat CHr V^'C^ h3c-nQ^Qn-ch3 2 Cl" Lipophilic OH+ O2"" MRP* ONOO*- _I_ O2' NO Glial cell DAT Oxidative stress ■ DNA defects • Lipid and protein peroxidation « Cytoskeleton - disorganization - >1q[o oJofoTÖTo fo Blood brain barrier • Dopaminergic neuron • Inhibition of complex I, III • Oxidative phosphorylation uncoupling • Mitochondrial membrane potential collaps< Decrease *- of ATP levels 4 Cell death mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm Nerve cells in cerebral cortex genetická predispozice Dědičnost AD - a-synuclein, LRKK2 Parkinson's disease Dědičnost AR - tabulka Asociace -....... mitochondriální dysfunkce- PINK1, parkin porucha funkce ubikvitin-proteazomového systému - parkin, a-synuclein lysozomální metabolismus ceramidu - GBA, NPC1, PANK2 - problém s recyklací lysozomů Table 1a Parkinson's disease variation associated with disease Autosomal dominant Parkinson's disease SNCA: PARK1/4 cDNA Protein Bibliography C.88G > C C.188G > A C.209G > A SNCAJriplication SNCA_du plication p.A30P Kruger A, 1998 p.E46K Zarranz JJ, 2004 p.A53T Polymeropoulos MH, 1996 NA Singleton AB, 2003 NA Chartier-Harlin MC, 2004 LRRK2: PARKS cDNA Protein Bibliography C.4111A > G c.4321C>G C.4321C >T C.4322G > A C.4883G > C C.5096A > G C.6035T > C C.6055G > A C.6059T > C C.7068C > T C.7153G > A P.I1371V P.R1441G P.R1441C P.R1441H p.R1628PRFs P.Y1699C P.I2012T P.G2019S P.I2020T P.T2356I p.G2385RRF Paisán-Ruiz C, 2005 Paisán-Ruiz C, 2004 Zimprich A, 2004 Zabetian CP, 2005 Ross OA, 2008 Paisán-Ruiz C, 2004 Tomiyama H, 2006 Nichols WC, Di Fonzo A, Gilks WP; 2005 Zimprich A, 2004 Khan NL, 2005 Mata IF, 2005; Di Fonzo A, Tan EK, Fung HC, 2006 Autosomal recessive parkinsonism ATP13A2: PARK9 cDNA Protein Bibliography C.546C > A C.1510G >C p.F182L Ning YP, 2008 p.G504R Di Fonzo A, 2007 PLA2G6: PARK14 cDNA Protein Bibliography c.1715C>T c.1894C>T C.2222G > A C.2239C > T p.T572l Unpublished data P.R632W Sina F, 2008 p,R741Q Paisán-Ruiz C, 2009 P.R747W Paisán-Ruiz C, 2009 FBX07: PARK15 cDNA Protein Bibliography C.65C > T C.1132C >G P.T22M* Di Fonzo A, 2009 P.R378G Shojaee S, 2008 Table 1b Table 1c Parkinson's disease variation associated with disease Parkinson's disease variation associated with disease Autosomal recessive parkinsonism I Autosomal recessive parkinsonism II PRKN:PARK2 cDNA Protein Bibliography C.125G > C p.R42P Terreni L, 2001 C.245C > A p.A82E Hedrich K, 2001 C.167T > A p.V56G*m Hoenicka J, 2002 C.483A > T P.K161N Abbas N, 1999 C.633A > T P.K211N Lucking CH, 2000 C.635G > A p.C212Y Pineda-Trujillo N, 2001 C.714C > G P.C238W" Sironi F, 2008 C.719C > G P.T240R* Hattori N, 1998 C.719C >T P.T240M* Foroud T, 2003; Sun M,2006 C.758G > A P.C253Y Oliveira SA, 2003; Guo JF, 2008 C.766C > T P.R256C Abbas N, 1999; Hedrich K, 2002 C.823C > T P.R275W Abbas N, 1999 C.850G > C P.G284R" Wu RM, 2005 C.865T > G p.C289G Lucking CH, 2000 C.983G > A P.G328E Lucking CH, 2000 c.100QC>T p.R334C Lucking CH, 2000 C.1244C > A P.T415N Abbas N, 1999 c.1252T>C p.C418R* Bertoli-Avela AM, 2005 C.1289G > A P.G430D Lucking CH, 2000 C.1292G >T P.C431F Maruyama M, 2000 c.1310C>T p.P437L*m Nichols WC, 2002 c.1321T> C p.C441R Guo JF, 2008 Recessive genes: only homozygous missense variants identified in either familial or sporadic cases are shown. *: Variant identified along with a splice site variant, a stop mutation or an exon rearrangement. *m: Variants that occur along with another pathogenic missense mutation. PINK1: PARK6 cDNA Protein Bibliography C.275G > T p.C92Fu Valente EM, 2004 C.373T > G P.C125G* Ibafiez P, 2006 C.377A > C P.Q126P Prestel J, 2008 C.502G > C P.A168P Valente EM, 2004 C.650C > A P.A217D Leutenegger AL, 2006 C.718G > A p.E240Kf) Rogaeva E, 2006 C.813C > A P.H271Q Hatano Y, 2004 C.926G > A P.G309D Valente EM, 2004 C.938C > T P.T313M Zhang YH, 2005 C.1040T > C P.L347P Rogaeva E, Hatano Y; 2004 c.1106T> C p.L369P* Ibafiez P, 2006 c.1195C> G p.N367S* Choi JM, 2008 C.1157G > C P.G386A Ibanez P, 2006 C.1162T > C P.C388R Li Y, 2005 C.1226G >T p.G409V Ibafiez P, 2006 C.1247C > G p.P416R Myhre R, 2008 c.1250A>G p.E417G Hatano Y, 2004 c.1255T>C p.S419P Myhre R, 2008 c.1309T> C P.W437R Kumazawa R, 2008 C.1319G > A P.G440E Ishihara-Paul L, 2008 C.1391G > A p.R464Hf" Valente EM, 2004 c.1466T>C p.L489Pf1 Rogaeva E, 2006 DJ-1:PARK7 cDNA Protein Bibliography C.29T > C P.L10P Guo JF, 2008 C.78G > A p.M26l Abou-Sleiman P, 2003 C.192G > C p.E64D Hering R, 2004 C.497T > C p.L166P Bonifati V, 2003 a-svnuclein: - mutace i familiární forma PD - transgenní Drosophily - degenerace dopaminergních neuronů - hlavní složka Lewy bodies (histologický marker PD - akumulace proteinů v inkluzích) protein lokalizován v presynaptických nervových terminálech - regulace syntézy, skladování a uvolňování dopaminu - mutace - porucha skladování dopaminu ve váčcích —► zvýšení intracelulární množství dopaminu —► zvýšení oxidativního stresu (dopaminové radikály) Alpha-Synuclein function Target Mechanism Result Suppression of apoptosis[2ö] Protein kinase C Deactivation of NFkB Neuroprotection Regulation of glucose levels127-301 G-protein-coup led-receptor Increase tissue glucose uptake Inhibition of type 2 diabetes The pancreatic fS-cell Inhibition of insulin secretion Susceptibility to diabetes KATP channel Modulation of calmodulin activity1311 CaM Conversion of CaM from an Modulation of G-protein-coupled inhibitor to an activator receptor kinase Chaperone activity'32"37i Presynaptic membranes Maintenance of SNARE structure SNARE-complex assembly during assembly Heat shock proteins Helping proteins to obtain Efficient neurotransmitter correct conformations release Maintenance of PUFA levels'381 Acyl-coA synthetase Modulation of lipid synthesis Synthesis of brain vital fatty acids Antioxidation'3!M1] Cytochrome c oxidase Prevention of Caspases activation Neuroprotection JNK-interacting protein Inhibition of JNK pathway Neuronal differentiation'42"441 Rab3a Activation of ERK/MAPK pathway Transcription of genes Regulation of dopamine biosynthesis'45"461 Protein phosphatase 2A Inhibition of tyrosine hydroxylase Regulation of dopamine levels CaM = Calmodulin; SNARE = Sensitive factor attachment protein receptor; MAPK = Mitogen-activated protein kinase; PUFA = Poly unsaturated fatty acid; JNK = c-Jun N-terminal kinase; NFkB = NuclearfactorKB Parkinson's disease Ranné znaky: - pozorované ještě před úbytkem neuronů v substantia nigra - porucha čichu - poruchy gastrointestinálního traktu (zácpa) Enterický NS - lokalizace převážně v míše, kontrola pohybu střev, sekrece a trávení - akumulace a-synucleinu i v ENS u PD - existují nervové spojení mezi CNS a ENS - v těchto drahách je syntetizován a sekretován o> synuclein Myš overexprimující a-synuclein pod specifickým promotorem pro střevní buňky - poruchy v ENS, akumulace ale i v čichových centrech CNS PD a kontroverze Braak et al a další - duál hit hypothesis ???? - patogen přes dýchací systém a gastro trakt - transport do CNS - časná stádia PD - ztráta čichu a gastro potíže - Lewy bodies i v čichovém laloku a biopsiích střeva alfa-synuclein - je sekretován - detekce v CSF i v plazmě - může se přenášet mezi neurony a být endocytován - prion-like mechanismus šíření - indukce agregace alfa-synukleinu Donor cell t u-SyniícIein levels from: Lysosome defects Mitochondrial defects Impaired proteasome Exocytosis Exosomes Tunneling nanotubes Mor-mediated internalization? Key: Misfolded ci-synuclein Native ra-synuclein Recipient cell Parkinson's disease variabilita v symptomech, klinických projevech i patologickém nálezu Table 1 Genetic and clinical characteristics of hereditary Parkinson's disease Locus Inheritance Gene Tvpc of mutation Clinical features PARK1/PARK4 AD SNC-A Missense, duplication, triplication A30P: late onset, L-dopa responded parkinsonism; A53T: typical parkinsonism with rapid progression; E64K; DLB-like symptoms; duplication: typical parkinsonism; triplication: early onset parkinsonism with rapid progression PARK2 Aft PRKN Nonsense, frame shift, missense Early onset, symmetric, slowly progressed parkinsonism with spasticity and sleep benefits PARK3 AD Unknown - - PARK5 AD UCH-L1 Missense Similar to sporadic PD PARKG Aft PINK1 Nonsense, frame shift, missense Early onset typical parkinsonism with psychiatric symptoms and L-dopa associated dyskinesia PARK7 Aft DJ-1 Missense Early onset parkinsonism with psychiatric symptoms, occasionally with scoliosis and blephalospasm PARKS AD LRRKZ Missense Middle to late onset typical parkinsonism with response to L-dopa PARKS Aft ATP13A2 Missense, insertion, deletion, duplication Rapidly progressed parkinsonism with dementia and pyramidal features PARK10 Sporadic Unknown - - PARK11 AD Unknown - — PARK12 Sporadic Unknown - - PARK13 AD 0mi/HtrA2 Missense Typical parkinsonism PARK14 Aft PLA2G6 Missense Early onset parkinsonism with rapid progression, cognitive decline and brain atrophy (cerebellum and cerebrum} PARK15 Aft FBXD7 Missense, frames hift Early onset parkinsonism with spasticity and response to L-dopa PARK16 Sporadic Unknown - — AD, autosomal dominant; AR, autosomal recessive; DLB, dementia with Lewv bodies; PD, Parkinson's disease. a-synuclein: - mutace A53T - podporuje jeho shlukování a samosestavování - aberantni konformace proteinu - při chronickém podávání rotenonu (insekticid, podobný MPTP) - tvorba inkluzí podobných Lewy bodies obsahujících a-synuclein —> poškození mitochondrií podporuje shlukování a samosestavování a-synucleinu parkin: - podílí se na ubikvitinaci (E3 ligáza) a tedy degradaci proteinů (mimo jiné a-synukleinu) - u transgenní Drosophily mutace v Parkinu vedou k poruchám funkce mitochondrií - neuroprotektivní úloha před cytotoxickým působením dopaminu (ROS) - označuje poškozené mitochondrie pro degradaci (mitofagie) - regulace homeostáza mitochondrií PINK1 (PTEN-induced kinase 1) - mitochondriální kináza, reakce na oxidatívni stres - regulace respirace, regulace mitofage, mitoch. fission - mitochondrial quality control LRRK2 (leucine-rich repeat kinase 2) - kináza a GTPáza - interakce s Parkinem (fosforylace a ubiquitinace) - exprese v dopaminergických neuronech - trofická podpora - vesicle trafficking DJ-1 - fee mitochondrií, protekce proti oxidativnímu stresu, regulace transkripce, chaperon - interakce s parkinem, tau - tvorba agregátů, proteáza Mitochondrial dysfunction Increased free radicals v Damaged proteins Proteosomal dysfunction j Aggregates Cell damage/death Environmental toxins Genetic defect Parkinson's disease Drozofila - overexprese lidského a-synucleinu - degenerace dopaminových center, poruchy pohybu, akumulace a-synucleinu - mutace v genu parkin - taky podobné symptomy u D, navíc degenerace svalů mitochondriální dysfunkce - velmi analogické i s PINK1 mutacemi - parkin a PINK1 - overexprese jednoho zlepší fenotypového projevy druhého mutanta PINK1 - fosforyluje parkin a reguluje jeho translokaci do mitochondrií a-synuclein - vliv na aktivitu proteazomového systému parkin je ubiqitinová ligaza DJ-1 KO myš - snížení aktivity proteazomového systému po paraquatu LRRK2 - interakce s parkinem Dopaminergic Cell Neurodegeneration Figure 1 Schematic representation of the possible pathogenesis in hereditary Parkinsons disease. ALP, autophagy lysosome pathway; ERj Parkinson's disease Mikroglie v mozku normálně - mikroglie v klidovém stavu - v klidu a monitorují okolí po aktivaci - fagocytóza, antigen-presentující buňky, sekrece imunomodulátorů (cytokiny, chemokiny ...) agregace alfa-synukleinu a beta amyloidu - perzistentní aktivace mikroglií - zánět neuronal death - excerbace aktivity mikroglií PD - jasné znaky zánětu, některé protizánětlivé terapie - zlepšení u modelů PD s vzrůstajícím věkem - změny v aktivitě mikroglií neurodegenerativní onemocnění - špatná funkce mikroglií snaha o terapie modulující aktivitu mikroglií First description of Lewy bodies Ati Essay on rhe Shaking Palsy is published by James Parkinson Intravenous l-DOPA First neurosurgical intervention of the basal ganglia to treat PD Dopamine agonists (apomorphine) Introduction c,\ the direct and Indirect pathway model of the basal ganglia circuitry Amantadine First attempt of a cell-based therapy for humans with PD First POC clinical trial of an AiA antagonist First POC clinical trial of a cell-based therapy Trihexyphenidyl Mutations in 5WCA identified es the first genet ic c a use of PD Deep brain stimulation Demonstration that the direct and indirect pathways are not alternatively but concomitantly active to modulate motor function First POC clinical trial of an mCLuS NAM 1817 1372 1899 1913 1940 I960 1961 1962 1989 1970 1985 1988 1989 1990 1993 1995 1996 1997 1998 20O1 2003 200S 2012 2014 2017 The shaking patsy is renamed PD Evidence of striatal dopamine deficiency in PD Oral L-DOPA First suggestion that the substantia nigra could be the site of PD pathology Carbidopa and l-DOPA combination therapy approved by FDA MAOB inhibitors {selegiline) First POC clinical trial of neurotrophic factors COMT inhibitors (tolcapone) First POC clinical trial of a gene therapy a-Synuclein found to be the main component of Lewy bodies Breakthrough in PD research □ Non-dopaminergicagents B Dopaminergic agents First phase I clinical trial for immunotherapy in PD First POC clinical trial of an mGlu4 PAM First suggestion of cell-to-cell transmission ofa-$yn Lie lein First POC clinical trial of a LRRK.2 inhibitor Nature Reviews | Drug Discovery Parkinson's disease - novel therapy Presynaptic neuron I iRNAor miRNA 1 SNCA synthesis SNCA clearance ^ SNCA monomers Activation of autophagy. proteasome, proteases and chaperones _^ SNCA oligomers Amyloid fibrils Gene mutations and/or SNCA post-translational modifications, toxins, neuroinflammation. etc. 11- Antiinflammatories Immunotherapy Altered SNCA prateostasis Antioxidants mmunotherapy Mitochondrial dysfunction Endoplasmic reticulum stress response Impairment of axonal transport Oxidative stress Impairment of homeostasis Ceil death H ^_ Trans-synaptic transmission and prion-like propagation Nature Reviews | Drug Discovery Parkinson's disease - novel therapy - Imunoterapie (protilátky, vakcíny - alfa-synuklein) - Antiagregační terapie pro alfa-synuklein - Neuroprotekce/Antiapoptotické látky (Q10, antioxidanty, ...) - Chelátory železa (vyšší hladina Fe v mozku PD) - Cílené inhibitory - LRRK2 - Genové terapie (zvýšení exprese dopaminu, neurotrofické faktory) Plus terapie upravující motorické funkce - 5-HT a mGlu5 agonisté/antagonisté Kmenové buňky (A) Neurofibrillar)' tangle Alzheimer's disease "amentia" - death of the mind 5-10% nad 65 a 40% nad 80 let věku Symptomy - progresivní ztráta paměti, dezorientace v prostoru a čase, problémy s řečí, poruchy abstraktního myšlení, změny chování, .... Amyloid plaque jistá diagnóza - post-mortem - senilní plaky (extracelulárně) - neurofibrilární vřeténka (intracelulárně) - difůzní ztráta neuronů - CT, MRI, neuropsychologické vyšetření Plaky —► hlavní složkou plaku nerozpustný (3-amyloid, trochu u každého starého člověka (u AD vysoce denzní kompaktní struktury) —► degenerace axonů a dendritů (hlavně kortex a hipokampus) neurofibrilární vřeténka - vysoce fosforylovaný tau protein (normálně stabilizuje mikrotubuly) - konformační aberace tau proteinu - tautopatie Alzheimer's disease Multifaktoriální onemocnění - většina - sporadické - vzácně single gene mutace - méně než 1% - APP, preseniliny 1 a 2 - ranný nástup, dominantní, vysoká penetrance - věk - genetické vlivy - více než 40 genů v meta-analýzách asociováno s AD - metabolismus lipidů, imunitní odpověď v patogenezi i oxidatívni stres, DM - environmentálni vlivy Environmentálni vlivy - př. hliník - v tichomoří, kde vysoká koncentrace hliníku v půdě - vyšší výskyt časné AD - hliník je v plácích (aluminosilikáty), hliník je známý neurotoxin - ale jestli ta depozice v plaku je kauzální (primární nebo sekundární) ???????? Table 1. Top AD susceptibility genes and their function Gene/locus Protein Polymorphism Candidate gene. Grade Effect Pathway locus or GWAS" estimateb Amyloid |' Inflammatory response Cardiovascular risk factors APOE Apolipoprotein E apoe 1-2/3/4 Candidate gene A 3.57 (3.21, 3.97) Clearance, fibril formation Modulation of immune response Lipid metabolism, atherosclerosis CLU Clusterin rsl 1136000 GWAS A 0.85 (0.82, 0.89) Clearance, fibril formation Modulation of immune response Lipid metabolism, atherosclerosis PiCALM Phosphatidyl inositol-binding clathrin assembly protein rs541458 GWAS A 0.87 (0.83, 0.91) Recycling of APP? TNK1 Tyrosine kinase, non-receptor, 1 rs 1554948 GWAS A 0.86 (0.8, 0.93) Phospholipid signal transduction ACE Angiotensinconverting enzyme rs 1800764 Candidate gene A 0.83 (0.72, 0.95) Cardiovascular pathophysiology TEAM Transcription factor a, mitochondrial rs2306604 Candidate gene A 0.82 (0.72, 0.94) CST3 Cystatin c rs 1064039 Candidate gene A 1.13 (1, 1.28) Amyloid angiopathy Decreased expression in atherosclerosis IL1B Interleukin 1, beta rs1143634 Candidate gene A 1.17 (1.02, 1.36) Cytokine cm Complement component (3b/4b) receptor 1 rs6656401 GWAS B 1.18 (1.07, 1.29) Clearance of AfS Complement receptor hCG2039140 [Predicted] rs 1903908 Locus B 1.2 (1, 1.43) SORL1 Sortilin-related receptor rs 12285364 Candidate gene B 1.21 (1, 1.45) APP trafficking Uptake of lipoproteins CHRNB2 Cholinergic receptor, nicotinic, beta polypeptide 2 (neuronal) rs4845378 Candidate gene B 0.67 (0.5, 0.9) SORCS1 Sortilin-related vps10 domain containing receptor 1 rs600879 Candidate gene B 1.24 (1.04, 1.48) APP trafficking Uptake of lipoproteins Factors that may increase or decrease the risk of Alzheimer disease Increase risk Age Female sex Apolipoprotein E4 Family history of dementia Stroke Obesity Elevated blood pressure and cholesterol Diabetes Decrease risk Education Physical exercise Social activities and hobbies Nutritional factors Curcumin Green tea Mediterranean diet Omega-3 fatty adds Red wine (modest use) Alzheimer's disease DM a Alzhemier Alzheimer- částečně neuroendokrinní choroba Inzulínová signalizace - regulace uvolňování neurotransmiterů, regulace synaptické plasticity, učení, paměti ... - administrace inzulínu zlepšuje paměť Diabetici - oxidatívni stres, akumulace AGE v neurofibrilárnách vřeténkách a amyloidních plácích - větší riziko vzniku AD AGE - nadprodukce u diabetiků, oxidatívni poškození, ukládání v cévách, ledvinách ... AD pacienti - méně inzulínových receptoru v mozku (v oblastech učení a paměť) - izulinová rezistence v mozku Inzulín v mozku (pokusy na zvířatech) - vliv na oxidatívni stres, hyperfosforylace tau, neurodegenerace Administrace inzulínu - akumulace beta-amyloidu Alzheimer's disease APP - "amyloid precursor protein" transmembránový protein alternativní sestřih - 4 různě dlouhé proteiny (695, 714, 770, 751 AK) exprese v mnoha buněčných typech včetně neuronů a gliových buněk spojuje transportní váčky a kinesin (axoplasmatický transport) APP 695 a 751 stimuluje proliferaci fibroblastů, APP751 stimuluje růst neuritů A(3 fragment ((3-amyloid) - 39-42 aa APP - část extracelularní a část transmembránové domény APP i A(3 fragment v presynaptických terminálech, uvolňovány do synaptické štěrbiny po stimulaci neuronu, schopny stimulovat postsynaptický neuron (mají tedy synaptickou aktivitu) Alzheimer's disease APP a ß-amyloid 18 299 Protease inhibitor Residues 700-723 542 571 pA4 Extracellular 770 Intracellular Membrane Alzheimer's disease Toxicita Ap fragmentů - ve vysoké koncentraci toxické u tkáňových kultur - modifikace aktivity cdk5 - indukce apoptózy přes aktivaci kaspázy-12 - Ap fragmenty precipitovany lokálně vyššími koncentracemi kovů - indukce tvorby peroxidu vodíku —> oxidatívni stres Depolymerizatiori Fibril yield i_,_i_r_ii_r_ NucLeation phase Elongation Stationary phase phase Extracellular plaque Extracellular plaques sequester * carbohydrates • lipids * metal ions • nucleic acids ♦ other proteins Oligomer / endocytosis i Oligomers cause ROS generation Fibrils perturb ER membrane Mitochondria Golgi ER Mechanisms of amyloid toxicity Fibrils form intracellular inclusions that sequester • carbohydrates • lipids • metal ions • nucleic acids • other proteins Late endosome Proteasome , Nucleus Fibrils block nudeocytoplasmic transport of protein and RNA Lysosome <5 Endocytosed oligomers and aggregates permeabilize lysosomal membrane and escape into cytosol Proteosomes sequestered into intracellular inclusions Cell-to-cell spreading of oligomers and aggregates Alzheimer's disease APP gen - chromozóm 21 —► téměř všichni pacienti s Downovým syndromem pokud žijí nad 40 let mají symptomy AD (3 kopie APP) - mutace v APP - asociace s výskytem časné formy AD Preseniliny (geny PS1 a PS2) mutace asociovaný s výskytem časné formy AD polymorfismy asociovány se zvýšeným rizikem lokalizace v endoplasmatickém retikulu, Golgiho aparátu a na membráně funkce - (homolog u C. elegans ovlivňuje „membráne trafficking") adheze, Notch signalizace mutace PS1 a PS2 - amyloidóza —► ovlivňují intracellularní sestavování a štěpení APP, fungují jako složky gamma-sekretáz) Alzheimer's disease Sekretázy - štěpí APP v sekretorických váčcích během axoplasmatického transportu a - štěpí APP 16 AK od N-konce A(3 sekvence (3 - štěpí na N-konci A(3 sekvence (BACE) Y - štěpí C-konec v membráně BACE - aspartátová proteáza navázaná na membránu Golgi a endosomů - štěpí lépe některé mutanty APP - (3-sekretáza - KO myši neukládají (3-amyloid Y - multiproteinový komplex na membráně s preseniliny (katalytická funkce), štěpí APP na různých místech —► A(3 38, 40 a 42 (42 je nejvíce agresivní při tvorbě plaku) OK štěpení APP - nejprve a štěpí APP na rozpustný APPa, který difunduje do extracelulárního prostoru, y pak štěpí C-terminální fragment, který difunduje do cytosolu, zbylý p3 do extracelulárního prostoru - štěpení obvykle během axoplasmického transportu (extracel. prostor je tedy transportní váček jež následně exocytován) • "maligní štěpení" - (3 odštěpí sAPPp a poté y odštěpí CTFbeta a zůstane A(3 fragment, mutantní formy APP a presenilinů zvyšují proporci A(342 - po exocytóze vesiklů se dostává do extracelulárního prostoru, kde může agregovat Heterogenní abeta fragmenty u zdravých i u AD, u AD větší poměr abeta1-42/abeta1-40, Membrane Extracellular space (or interior of vesicle) sAPPa N-- APP sAPPp P3 P3 Secretase V Ap Cytosol CTFrt CTFfn y-Secretase -C p-Secretase y-Secretase CTFp CTFji Alzheimer's disease Gen Apolipoprotein E - proteinové izoformy E2, E3, E4, (AK na pozicích 112 a 158) - E4 - riziko pro AD v CNS exprese převážně v astrocytech důležitý pro příjem a redistribuci fosfolipidů a cholesterolu buňkou lipidy důležité pro integritu membrán, opravy, remodelaci synapsí, růstu neuritů E4 - nejméně efektivní v příjmu cholesterolu, v podpoře růstu neuritů E4 - nejnižší exprese CAT (cholinergní marker) v hipokampu - cholinergní systém tvořen dlouhými vlákny - citlivá na poškození - tento systém bývá poškozen u AD apo E interaguje s tau a A(3, E4 nejvíce indukuje tvorbu amyloidu (vliv na konformaci a agregaci a clearence A(3) porušení integrity membrán - iniciace kaskády vedoucí k depozici amyloidu Alzheimer's disease Mozek - BBB - ma svůj vlastní metabolismus cholesterolu - gliové buňky apo E izoformy - liší se účinností sekrece, vazbou lipidů, vazbou na receptory myš s E4 izoformou - více plaků - nejmenší afinita k beta amyloidu lipoproteinové receptory (některé i pro clearence APP a beta amyloidu) • ABC transportéry - další cesta přenosu lipoproteinů do neuronu apo E-containing lipoproteiny - důležité pro axonal growth - regulace apoptózy - protektivita odstranění apoptotic bodies E4 nejvíce neurotoxická - nejméně neuroprotektivní clusterin (apoJ) - molekulární chaperon v Golgi, i sekretovaná forma - váže beta-amyloid, vliv na clearence beta-amyloidu - navíc vazba lipidů a jejich clearence přes receptory Alzheimer's disease Meďnaté ionty - ionty kovů důležité pro fungování NS - regulují expresi APP, regulace aktivity a exprese BACE1 - akumulace v plácích, podpora akumulace, agregace a neurotoxicity (3-amyloidu (podobně i Zn) - regulace fosforylace tau AD - oxidatívni stres - příčina nebo následek??? APP - schopnost redukovat měďnaté ionty a jejch uptake/efflux, - změny jeho exprese v modelech - změny v hladinách meďnatých iontů Některé regulátory homeostáze meďnatých iontů - v klinických testech pro léčbu AD Akumulace beta-amyloidu - předchází a iniciuje fosforylaci Tau (aktivace kináz - CDK5 - GSK3(3) fosforylace tau - destabilizace mikrotubulů - porucha synapsí Amyloid cascade hypothesis Missense mutation in APP, PS 1, or PS2 genes Increased AfH2 production and accumulation $ Afj42 oligomenzation and deposition as diffuse plaques * Subtle effect of A(i oligomers on synapses Microglial and astrocytic activation (complement factors, cytokines, etc) Progressive synaptic and neuritic injury Altered neuronal ionic homeostasis; oxidative injury Altered kinase/phosphatase activities 3^ Tangles Widespread neuronal/neuritic dysfunction and cell death with transmitter deficits V Dementia Causes? Several competing hypotheses: Cholinergic hypothesis Caused by reduced synthesis of acetylcholine Destruction of these neurons causes disruptions in distant neuronal networks (perception, memory, judgment) Amyloid hypothesis Abnormal breakdown; buildup of amyloid beta deposits Damaged amyloid proteins build to toxic levels, causing caff damage and death Tau hypothesis Caused by tau protein abnormalities Formation of neurofibrillary tangles Cause of Alzheimer's disease The metal ions hypothesis 04 The involvement of oxidative Stress and others Tail hypothesis ■ The tau hypothesis is the idea that tau protein abnormalities initiate the disease cascade. ■ In this model, hyperphosphorylated tau begins to pair with other threads of tau. Eventually they form neurofibrillary tangles inside nerve cell bodies. ■ When this occurs, the microtubules disintegrate, collapsing the neuron's transport system. ■ This may result first in malfunctions in biochemical communication between neurons and later in the death of the cells. Infekcni agens - Spirochety - Chlamydie - HSV-1 - Herpesvirus - Zänet (pricina/düsledek ?) Abeta - antimikrobiälni funkce o The cholinergic hypothesis in Alzheimer's disease states that degeneration of cholinergic neurons in the basal forebrain nuclei causes disturbances in presynaptic cholinergic terminals in the hippocampus and neocortex, which is important for memory disturbances and other cognitive symptoms. c Potentation of the activity of the central cholinergic pathway is one strategy for the symptomatic treatment of cognitive dysfunction in AD. Alzheimer's disease Terapie - schválené terapie (i v klinických testech) zatím spíš léčba symptomů - neovlivňují patogenní mechanismus nemoci - vliv na neurotransmisi Modulátory - acetylcholin (agonisté receptoru, inhibitory acetylcholinesterázy) - glutamát (antagonisté NMDAR) - serotinin (antagonisté 5-HT6 receptoru) - dopamin (MAO inhibitory) Možné terapie - prevence tvorby A(3 - blokování agregace plaků - rozklad již vytvořených plaků - snížení fosforylace a agregace tau 2010 Table I! Selected Alzheimer's disease drug development programs Drug Mechanism of Action Stage of Development Tram ipros ate Direct Aß binding to prevent Aß aggregation Completed Phase lll/discontinued ACC-00I Active Aß vaccination Phase II (safety, proof of concept) Bapineuzumab Anti-Aß monoclonal antibodies Phase III (efficacy in AD) IglV Anti-Aß polyclonal antibodies Phase III (efficacy in AD) PF-04494700 RAGE Inhibitor Phase II (safety, proof of concept) Tarenflurbil y-secretase modulator Completed Phase Ill/discontinued Semagacestat y-secretase inhibitor Phase III (efficacy in AD) Rem be r Tau aggregation inhibitor Entering Phase III {efficacy in AD) NAP (AL-108) Microtubule stabilizer Phase II (safety, cognitive enhancement) Dime bo n Mitochondrial stabilizer Phase III (efficacy in AD) 2012 Mecrtanlsm of action relevant Drug for AD Phase of study Result of study Caveat of study PoslglltazoriG (J-secretase Inhibition (?) 3 Ineffective Lack of bbmarker íg magacGitat Y-secretase inhibition 3 Premature end Severe adverse drug reaction Tarenf lurbll Tf-secretase modulation 3 Ineffective Low potency, blood-brain barrier passage "iramiprosate Inhibition of Afl oligomerizaticn 3 Ineffective - Scyllo-lnosltol Inhibition of Ap^ oligomerizaticn 2 Ineffective Biomarker change e.i|j ľGuiurnslj Afi clearance 3 Ongoing Vasogenic oedema, amyloid angiopathy iolaneuzumah Aŕi clearance 3 Ongoing - Lithium Inhibition of tau phosphorylation 2 Clinical improvement Decrease of P-tau in CSF - MGthyltMonlriIum chloride Inhibition of tau aggregation 2 Clinical improvement with 60 mg da/"1 Lack of bbmarker NllvadlplriĚ Af) clearance Open label Clinical improvement Lack of biomarker Latrepirdlne Mitochondrial protection 3 Ineffective - 3 Ongoing (in association with other drugs] — - zatím ale žádný velký úspěch - chybí presymptomatický marker - identifikace pacientů na počátku rozvoje AD ?????? Compound testing r Nonclinical testing a Drug Candidate Clinical testing Target In vitro assays n vivo models Phase 1 Phase 2 Phase 3 Approved drug Purpose Mechanism of action, potency /selectivity vs. isolated target. Drug mechanism of action vs. target in cellular context, potency /selectivity, cell permeability. Drug action vs target in efficacy, pharmacodynamic, or biomarker response assays. Safety studies. Safety, pharmacokinetic/ dynamic/ biomarker data. Safety, pharmacokinetic /dynamic/ biomarker/ efficacy data. Safety, biomarker/ efficacy data suitable for regulatory approval. Translation Drug should be active in cell assays at a concentration that is commensurate with in vitro data. Free drug levels should be similar in vivo at the site of action to efficacious concentrations in cell assays. Dose escalation studies based on safe doses from in vivo toxicology studies and related to efficacious doses in in vivo models Doses based on safe doses from phase 1 and related to efficacious doses in in vivo models. Select doses for phase 3 trials. Preclinical Development 2015 Phase 1 '13 months t- 2020 7V+ Phase 2 "28 months Phase 3 v51 months 2025 Regulatory Review ~18 months 2014 In vitro assays Cell assays In vivo models Phase 1 Phase 2 Phase 3 Tramiprosate Data on primary mechanism of action & potency unclear. Some reported studies fail to replicate anti-Ali aggregation properties. B Data on prevention of \ Aß-induced cell toxicity ) but mechanism unclear / & not clearly related to _J in vitro data. ^\ Some semi-quantitative evidence for reduction in / AB plaque, but free drug / levels not measured. Not reported. Dose selection rationale unclear. \ CSF [drug] were > 20-\ fold AB levels. CSF AB / levels were lowered I dose-dependently, inconsistent with the mechanism of action. — No significant effects \ on primary outcome \ measures of ADAS-/ cog and CDR-sum of 1 boxes. Target engagement not confirmed Tarenflurbil No data. _ Data on mechanism of \ action defined, dose \ responses published / giving ECSO ~250uM. / Data replicated by several groups. Most data fail to support \ in vivo efficacy via the \ postulated mechanism of / action. Brain levels of / tarenflurbil when measured are below the EC50 level. m CSF levels of compound at highest A dose are ~250-fold / lower than ECSO V levels. No reduction in CSF AB42. Subgroup analysis H reveals a potential \ treatment effect on \ ADCS-ADL in mild AD: no significant effect _/ on ADAS-cog or CDR-SB. Effects on CSF AB42 not reported. No significant effects on primary \ outcome measures / of ADAS-cog and / ADCS-ADL. Target -' engagement not confirmed. Semagacestat No data available before phase 3 trial. Subsequent data confirm mechanism of action and dose responses. —\ Data on mechanism of \ action and dose ) responses published. / Data replicated by _/ several groups. _ Dose-dependent reduction \ in AB40/42 demonstrated \ by multiple groups. No / data on reduction of AB / plaque in a therapeutic dosing paradigm. _ SILK technology \ confirmed reduction of \ brain AB production in / a dose-related manner. / Proof of mechanism established. —i Safety and tolerability \ study confirmed. \ Highest dose was / tolerated although _/ Notch inhibition effects were evident. —\ Significant \ worsening of > disease. Target / engagement _j confirmed. Bapineuzumab Antibody has nanomolar affinity for soluble All and binds deposited Als. Epitope is AG 1-5. ""V Mechanism of action \ determined to be ) mediated via antibody / binding and microglial _/ activation. Data demonstrate robust —v prevention of AB \ deposition, but no \ definitive d3t3 that existing / AB plaque can be _J removed. Evidence of microhaemorrhage as a potential adverse event. No data. Safety and tolerability study confirmed ARIA \ to be dose limiting. \ Pooled analysis of all / doses show some / evidence for cognitive —' benefit. Evidence for reduction in brain AB and CSF ptau. No significant effects on primary outcome \ measures of ADAS-cog \ and DAD. Significant ) reduction in ptau. No / evidence for reduction —J of brain AB. Target engagement not confirmed. Solanezumab Antibody has picomolar affinity for soluble AB. Epitope is AB 16-24. Antibody sequesters AB in mixed solutions with ApoE and albumin. Data demonstrate robust —i capture of peripheral AB, \ but data on clearance of \ deposited AB is weak and / not replicated. No _f evidence for microhaemorrhage as a potential adverse event. Safety, tolerability and —V biomarker studies \ confirmed capture of \ all peripheral AB and / evidence for reduction _J in soluble AB40 and mobilization of plaque. No ARIA detected. No significant effects on primary outcome \ measures of ADAS-\ cog and ADCS-ADL / No effects on brain _J AB or CSF ptau. Target engagement confirmed. IVIg/ Gammagard® Ami-AB antibodies purified from IVEg inhibit AH fibril formation. ^\ High anti-Aß antibody \ concentrations activate / microglial mediated / clearance of Als plaque —' ex vivo. Some evidence that IVIg —\ administration to APP/PS1 \ transgenic mice results in ) human antibody reaching / the brain parenchyma, but —' no evidence for binding to AB plaque or plaque clearance. Several clinical studies were in very small ^\ numbers of patients, \ without placebo / controls. A dose ranging / study showed no * significant capture of peripheral AB at any dose- No significant effects ^\ on primary outcome measures of ADAS-) cog and ADCS-ADL (data not published), kw Target engagement not confirmed. 2016 Table 1 Current status of selected anti-Alzheimer's drugs in clinical trials. Drug Mechanism of action Clinical stage Status AN-1792 Anti-Aß vaccine Phased Discontinued CAD 106 Anti-Aß vaccine Phasell Terminated ACC-001 Anti-Aß vaccine Phasell Terminated Bapineuzumab Humanized monoclonal anti-Aß antibody Phase in Discontinued Solanezumab Humanized monoclonal anti-Aß antibody Phase III and 11/ill Ongoing Cantenerumab Humanized monoclonal anti-Aß antibody Phase ll/III Ongoing Crenezumab Humanized monoclonal anti-Aß antibody Phasell Ongoing [VIG Human polyclonal anti-Aß antibody Phase III Ongoing CSK933776 Humanized monoclonal anti-Aß antibody Phase 1 Terminated BAN-21 Humanized monoclonal anti-Aß antibody Phase I II Ongoing AADvad Ann tau vaccine Phase 1 Ongoing AC1-35 Anti-tau vaccine Phase 1 Ongoing Semagacestat ■y-Secretase inhibitor Phase III Discontinued Avagacestat •y-Secretase modulator Phasell Discontinued Begacestat -y-Secretase modulator Phase 1 Terminated NIC5-15 ■y-Secretase modulator Phasell Ongoing CHF-5074 7-Secretase modulator Phasell Terminated MK-8931 ß-Secretase inhibitor Phase ll/III Ongoing LY288672I ß-Secretase inhibitor Phasell Discontinued AZD 3293 ß-Secretase inhibitor Phase ll/III Ongoing LY33I4814 ß-Secretase inhibitor Phase ll/III Ongoing E2609 ß-Secretase inhibitor Phase ll/III Ongoing Tideglusib GSK-3ß inhibitor Phasell Terminated Intranasal llumulin R GSK-3ß inhibitor Phasell Ongoing Intranasal gtulizine GSK-3ß inhibitor Phasell Terminated Idalopirdine with donepezil 5-HTb receptor antagonist Phase III Ongoing SB742457 with donepezil 5-HTb receptor antagonist Phasell Terminated ABT-288 Hi receptor antagonist Phasell Terminated GSK2 395I2 Hj receptor antagonist Phasell Terminated Azeliragon RAGE inhibitor Phase III Ongoing Encenkrline ct7-nAChR inhibitor Phase III Ongoing Nrvaldipine Calcium antagonist Phase III Ongoing 2018 ZQ1S Alzheimern Drug Development Pipeline Subject Characteristics 15hjpg] ^7 Preclinical Q PrwInjmDl/ Pr«Jnjmal ■ Mild ] Mild - Moderate Severe Syrnptpm-Bfldudrtfi Small Molecule UndiscloM-d U<;chjniim A KÜNlÜlo(Ph3iel| □ BACIPft^Mll) □ «5N (Phase I) Mechanism of Action IColor] ^ Amyloid rented ^ Tn i rr-h-i-t ^ Others A Amyloid & Tau reated Diir-jse Modifying Small Molecule 2018 Agitation |n=5j Sleep d i.sDrcler.5 Apalhy jn=1) 31% Neuropsychiatry Symptoms Acery Icholln estefa se\J Inhltelror <^ PKC ^>-^NADPHoxydasc) I I ROS* \ < m 2+ PrPc £ I AMP* 1 ER stress Cii.Zn SOI) A \ ( P90 RSK ) „------------ <^j/T> ^m2+ -L V \ I \ I \ I \ \ ROS. Iljid cyPrPc tochondria Dm 7 .......#*'^ ■j Apoptosis ltcl-2/lícl-X, Bai Central Nervous system Neurogenesis: -Development -Neunte outgrowth Embryonic development Intercellular communication Stability of adherent cell junctions Adhesion Differentiation TSynaptic transmission Regulation of circadian rhythm Regulation of smell tMemory formation and cognitive function iNeuroexcilability T Neuroprotection ^ Apoptosis Autophagy Oxydat if stress Survival Regulation of intracellular copper concentration Redox homeostasis Priony • Mutace genu PrP - dědičné formy prionových chorob • Polymorfismy v genu PrP - ovlivňují průběh choroby a pravděpodobnost nákazy • PrPc —> PrPsc (změna v 3D struktuře extracel. domény (a-helix —> (3-skládaný list) • PrPsc agregace —> tvorba plaků - přenos mozkomíšním mokem • PrPsc může „transformovat" molekuly PrPc na PrPsc(konformační změna) ^ replikace" prionů PrP KO myši - odolné vůči infekci PrPsc - degenerace Purkyňových buněk v mozečku Priony a CNS A) Změny neurotransmise Jednou z prvních změn je ztráta GABA-neuronů, akumulace PrPsc v synapsích -snížení GABA transmise u CJD - v některých částech mozku naopak zvýšená serotoninergické stimulace B) Ztráta synapsí - snížení exprese proteinů (synapsin,-1 syntaxin,-1 SNAP-25, ....) C) Atrofie dendritů (Notch signalizace) D) Smrt neuronů - otázka zda je PrPsc neurotoxický sám o sobě dosud nejednoznačná - PrPc ochrana před oxidativním stresem, antiapoptotická aktivita - možná aktivace mikroglií a zánět - apoptóza i autofagie Priony Přenos - většinou potravou - iatrogenní (lékaři) - neurochirurgické operace, růst hormon, transfůze (vCJD) - BSE - původ asi v potravě připravené ze scrapie-infikovaných mozků zvířat - injekčné lze přenést na kočku, antilopu, norka, myš - nákaza vCJD u lidí v devadesátých letech v UK - odvozená od BSE pandemie Figure 1: Schematic representation of the potential mechanism of neuroinvasion in transmissible spongiform encephalopathies. (A) Inital uptake of the TSE agent from the intestinal lumen has been proposed to occur through a number of alternative mechanisms, including M cell transcytosis (i), ferritin-dependent trancyiosis through intestinal epithelial cells (ii), or via direct capture by dendritic cells (iii). While phagocytic cells such as macrophages appear to degrade PrPs,; (iv), dendritic cells may deliver the TSE agent to follicular dendritic cells (FDCs) where early accumulation of PrP^ occurs (v). (B) After amplification of the TSE agent in lymphoid tissue such as the GALT and spleen, invasion of the nervous system is believed to proceed through peripheral nerves. Retrograde transport of the TSE agent is believed to occur along two distinct pathways, following efferent fibers of the sympathetic and parasympathetic nerves to the CNS. (C) Retrograde transport and propagation of PiP1* along neuronal processes may occur by stepwise interactions along the cell surface (i;i and ih), via extracellular deposits (ii). or by vesicle-mediated mechanisms (iiP and iiih). See the text for details. PrPc prpTSE(A and B) ■ Plasma membrane Figure 1. Summary of cytopathology and PrP processing pathways. Tilth way ] (intracellular lJrlJ processing, red): The PrP*" polypeptide (yellow circles), including genetic mutants (green circles), is synthesized in the Kli, processed in the Golgi apparatus, and then carried in its mature: form to the cell surface where most of it is found in lipid rafts. Generation of PrP™, consisting of a mixture of dominant and subdominant types (blue and dark hluc boxes, a and B), from PrP"" would occur after the arrival of PrP'' at the cell surface. Another hypothetical pathway would fonn misfbklcd cytosolic PrP, associated with neurotoxicity, involving the ubiquilin-proteasome system and fanning aggresomes/' llr>1 'llie same would be proinoted by mutant PrP™ (green quadrangles). Pathway 2 (processing of external PrF^ and PrPT5E, blue): PrPt: from the plasma membrane is imemalized and processed in fyso-somes. Lxogenie PrP™ , consisting of a mixture of dominant and subdominant types (blue and dark blue Ixixes, A and IS), leads to confannalional ( f.Lingf ; if lJr]>' beli :k- i:( CiiiíCl; ir/eiruli/.al k>:1 ^ i.i endosnmes, Overloading of the endosomal-lyso-somiil system may lead to accumulation of indigestible materia] or exoeytosis of PrP ^ that forms extracellular aggregated deposits that presumably lack direct neurotoxic effects. This process may be accompanied by an outburst of lysosomal enzymes leading to tissue damage. The detailed delineation of endosomal and lysosomal compartments is omitted for clarity. Pathway $ (spread of PrP™\ green): findosomes may transport PrP™' in the axons, in addition to domino-like spread of PrP1^1'1 uxolommjilly. Priony Mezidruhová bariéra - přenos na jiný organismus - obvykle pozdější nástup choroby Př. z myši na křečka (opačně nejde) - po vypuknutí choroby jakási adaptace a dál přenos už s kratší inkubační dobou Vliv sekvence prion proteinu a prionových kmenů Prionové kmeny - různé symptomy, inkubační doba, patologie u stejného druhu - různé konformace PrPsc (konformační polymorfismus) - různá glykosylace př. Přenos CJD prionů OK do myši s trangenním lidským prionovým genem ale nikoli do wt myši vCJD prion naopak OK do wt myši a obtížně do transgenní myši Sekvence prionu - pouze určité konformace v rámci druhu - pro přenos mezidruhy musí tento typ konformace existovat i tam Priony a Alzheimer AD - problém hlavně oligomerizace abeta fragmentů - Abeta42 snadněji oligomerizuje než Abeta40 PrPc - receptor pro tyto oligomery Podobnost AD a CJD - extracelulární depozity apoE genotyp rizikový faktor, apoE v plácích u obou chorob fosforylace tau (vJCD) PrPc - negativní regulátor beta-sekretázy, mutace v PNRP genu - asociace s AD Deprese celá řada chorob, typů, symptomů - abnormální pocit smutku, zoufalství, porucha příjmu potravy, porucha kontroly váhy, poruchy spánku, špatná koncentrace, pocity viny, snížený sexuální apetit Studium dvojčat a rodinné studie - dědičné faktory Rizikovým faktorem celé řady onemocnění - ICHS, diabetes ... Genetické faktory: - mutace a polymorfismy v - BDNF, serotoninový transportér (5HTTLPR), GSK3(3, COMT - monoaminoxidáza A, metabotropický glutamátový receptor 3 PFC, amygdala a hipokampus nejvíce studovány v souvislosti s depresemi Table 1 Functional and structural changes in the limbic and PFC areas implicated in depression. Substrát* Volume Hiito logica I changes Metabolic activity Antidepressant effects OrbitalA/MPFC i i t Anterior tingulate cortey J J Metabolic activity Hippocampus j , t Volume Amygdala J Metabolic activity DLPFC i i i Deprese často spojeny s imbalancí v syntéze, sekreci a odpovědi na neurotransmiter - noradrenalin - dopamin - serotonin - acetylcholin Stres, zánět (imunologické příčiny), genetika, deregulace trofických faktorů (BDNF...) Látky, které depletují monoaminy - indukce deprese Látky, které inhibují reuptake nebo degradaci monoaminů - antidepresiva Antidepressants j I Depressams Precursor V \ / \ MAO Inhibitors ^ eg Clorgyllme Deprenyline Inactive metabolite Reuptake inhibitors Amphetamine Tricyclics Storage irtriibitars Reserpme Monoamine transmitter I Subsynapdc membrane Deprese Acetylcholin - opačný vliv - antidepresiva s anticholinergickým účinkem Velmi používané léky jsou látky blokující uptake serotoninu - málo vedlejších efektů - Prozac Dlouhodobý stres - spouštěč deprese - krátkodobý stres - overexprese monoaminů - dlouhodobý stres - deplece monoaminergických synapsí Drugs Proposed mechanism of action Selective serotonin reuptake inhibition Citalopram, escitalopramr Fluoxetine, fluvoxamine, paroxetine, sertraline Selectively inhibits the reuptake of serotonin Tricycl ic antidepressants Amitriptyline, desipramine, doaepia imipramine, maprotiline, nortriptyline, protriptyli ne, trimipram ine Nonselective^ inhibits the reuptake of monoamines, including serotonin dopamine; and norepinephrine Norepinephrine-dopamine reuptake inhibitor Bupropion Inhibits the reuptake of norepinephrine and dopamine Serotonin modulator Nefazodone, trazodone Primarily antagonisesS-HT2 receptors Serobon in-norepineph rine reuptake inhibibors Desvenlafaxine, dulcaetine, venlaFaxine Inhibits the reuptake of serotonin and norepinephrine Noradrenergic and specific serotonergic modulator Mirtazapine Primariry antagonisesa-2 andS-HT2C receptors Serotonin reuptake inhibitor and 5-HT1A-receptor partial agonist Vilazodone Potently and selectively inhibits serobonin reuptake and acts as a partial agonist at the 5-HT1A receptor MAO inhibitors IsocarbcKazid pbenylzine, tranylcypromine; Selegiline Nonselectivery inhibits enzymes (MAQ-A and MAO-FJ) irvolved in the breakdown of monoamines, including serotonin, dopamine, and norepinephrine MAO-E selective inhibitor FDA=US Food and Drug Administration. M A0= monoam ine uxictase. &-HT= serotonin. Table: Antidepressants approved by the FDA