Ontrafelen van het Complex Cerebellair Fenotype bij Peroxisomale Multifunctioneel Proteïne-2 Deficiëntie

Net zoals mitochondriën en lysosomen zijn peroxisomen aanwezig in alle celtypes, met uitzondering van rode bloedcellen. Het belang van peroxisomen in het centraal zenuwstelsel wordt duidelijk door de variëteit aan neurologische afwijkingen bij patiënten met peroxisomale defecten, gaande van ernstige ontwikkelingsproblemen van de hersenen tot blindheid. In de afgelopen jaren werden er echter ook adolescenten en volwassenen met ataxie en cerebellaire atrofie als primaire pathologieën gediagnostiseerd met defecten in peroxisomale proteïnen. Een deel van de patiënten met dit ‘mild’ fenotype is deficiënt voor multifunctioneel proteïne-2 (MFP2), een peroxisomaal enzym met een centrale actie in de peroxisomale β-oxidatie en een belangrijke rol in het metaboliseren van bepaalde lipiden.

Cerebellaire problemen werden ook geobserveerd in globale (Mfp2-/-) en conditionele (Nestin-Mfp2-/-) knockout muismodellen. Beide muismodellen vertonen vroegtijdige afwijkingen van hun wandelpatroon en een verstoorde balans. Op histologisch vlak werden zwellingen op Purkinje cel axonen gedetecteerd, gevolgd door het verlies van de cerebellaire witte stof, Purkinje cel degeneratie en cerebellaire atrofie. Onopgeloste vragen die de kop op staken waren de volgende: (1) is de cerebellaire aftakeling in MFP2 deficiënte muismodellen te wijten aan ontwikkelings- of degeneratieve problemen, (2) op welke leeftijd ontstaan de eerste (histo)pathologische veranderingen, (3) hoe dragen deze afwijkingen bij tot het ataxisch fenotype en (4) hoe zijn deze abnormaliteiten gerelateerd aan een verstoorde peroxisomale β-oxidatie? De huidige studie had als doel om de mechanismen die aan de basis liggen van het ongecoördineerde fenotype en de cerebellaire aftakeling bij MFP2 deficiëntie te verduidelijken. Omdat Nestin-Mfp2-/- muizen een waardevol model zijn voor het bestuderen van cerebellaire degeneratie veroorzaakt door peroxisomale β-oxidatie defecten, werd er in deze studie met dit model verder gewerkt. Daarnaast bestudeerden we de cerebellaire pathologie in een nieuw MFP2 deficiënt muismodel waarin het enzym enkel afwezig is in Purkinje cellen (L7-Mfp2-/-). Op deze manier ontrafelden we hoe MFP2 de enige output neuronen van de cerebellaire cortex beïnvloedt. Bovendien verkregen we inzicht in de bijdrage van cel autonome processen aan de cerebellaire aftakeling bij MFP2 deficiëntie.

We analyseerden de structuur en functie van Purkinje cellen van jonge Nestin-Mfp2-/- muizen en toonden aan dat hun vroegtijdig fenotype veroorzaakt wordt door veranderingen in de elektrische eigenschappen van deze neuronen. De daling van de spontane vuurfrequentie en exciteerbaarheid van de MFP2 deficiënte Purkinje cellen is mogelijks gerelateerd aan de toename van het aantal dendrietspines en de lengte ervan. Hoewel deze morfologische veranderingen eerder als mild worden aanzien, kunnen ze samen het neuronaal oppervlak significant verhogen en daarmee ook de Purkinje cel membraancapaciteit.

Bovendien stelden we vast dat glutamaterge axonen (climbing fibers en parallel fibers) die de Purkinje cellen bezenuwen ontwikkelingsproblemen vertonen die ook kunnen bijdragen aan het vroegtijdig, motorisch fenotype van Nestin-Mfp2-/- muizen. Tot slot bewijzen de zwellingen op Purkinje cel axonen de verstoring van axonaal transport in jonge Nestin-Mfp2-/- muizen.

Met ons Purkinje cel specifiek MFP2 knockout muismodel (L7-Mfp2-/-) tonen we voor het eerst aan dat de deletie van MFP2 in neuronen naast ontwikkelingsproblemen ook aanleiding geeft tot een postnatale, degeneratieve cerebellaire pathologie. Hierbij blijken Purkinje cellen gesitueerd in het anterieur gedeelte van het cerebellum gevoeliger te zijn aan degeneratie, terwijl neuronen in cerebellaire lob X eerder resistent lijken aan celdood. Een opmerkelijke vaststelling is dat Purkinje cellen verdwijnen volgens een zebra patroon, hetgeen de verhoogde gevoeligheid van een subgroep van neuronen die bepaalde moleculaire merkers tot expressie brengen doet vermoeden. Hoewel de exacte mechanismen die aan de basis liggen van Purkinje cel degeneratie in L7-Mfp2-/- muizen nog opgehelderd moeten worden, wijzen de eerste resultaten in de richting van veranderingen in autofagie. Zoals in Nestin-Mfp2-/- muizen zijn axonale zwellingen de eerste histopathologische veranderingen in L7-Mfp2-/- cerebella. Vandaar dat deze sferoïden beschouwd kunnen worden als het eerste teken van Purkinje cel misnoegen bij MFP2 deficiëntie. Omdat het motorisch fenotype in L7-Mfp2-/- muizen pas ontstaat op een latere leeftijd, kunnen we uitsluiten dat de vroegtijdige motorische poblemen bij Nestin-Mfp2 knockout muizen ontstaan door de deletie van MFP2 enkel van Purkinje cellen.

Ons onderzoek heeft nieuwe inzichten gegenereerd betreffende de cerebellaire pathogenese van milde MFP2 deficiënte patiënten. De preciese moleculaire mechanismen die Purkinje cel dysfunctie en -degeneratie veroorzaken blijven echter onopgehelderd. Een zekere zaak is dat in de toekomst meer en meer patiënten met ataxie gediagnosticeerd zullen worden met peroxisomale dysfunctie.