Cathepsin D Deficiency - Molecular and Cellular Mechanisms of Neurodegeneration

Cathepsin D (CTSD) is a lysosomal protease, the deficiency of which is fatal and associated with neurodegeneration. CTSD knock-out mice, which die at the age of four weeks, show intestinal necrosis, loss of lymphoid cells and moderate pathological changes in the brain. An active-site mutation in the CTSD gene underlies a neurodegenerative disease in newborn sheep, characterized by brain atrophy without any changes to visceral tissues. The CTSD deficiences belong to the group of neuronal ceroid-lipofuscinoses (NCLs), severe neurodegenerative lysosomal storage disorders. The aim of this thesis was to examine the molecular and cellular mechanisms behind neurodegeneration in CTSD deficiency. We found the developmental expression pattern of CTSD to resemble that of synaptophysin and the increasing expression of CTSD to coincide with the active period of myelination in the rat brain, suggesting a role for CTSD in early rat brain development. An active-site mutation underlying the congenital ovine NCL not only affected enzymatic activity, but also changed the stability, processing and transport of the mutant protein, possibly contributing to the disease pathogenesis. We also provide CTSD deficiency as a first molecular explanation for human congenital NCL, a lysosomal storage disorder, characterized by neuronal loss and demyelination in the central nervous system. Finally, we show the first evidence for synaptic abnormalities and thalamocortical changes in CTSD-deficient mice at the molecular and ultrastructural levels. Keywords: cathepsin D, congenital, cortex, lysosomal storage disorder, lysosome, mutation, neurodegeneration, neuronal ceroid-lipofuscinosis, overexpression, synapse, thalamus

Katepsiini D on lysosomaalinen proteaasi, jonka puutos aiheuttaa hermoston rappeutumista ja johtaa ennenaikaiseen kuolemaan. Katepsiini D poistogeeniset hiiret kuolevat jo neljän viikon ikäisinä, ja tällöin niiden aivoissa, ohutsuolessa ja imukudoksissa havaitaan voimakkaita patologisia muutoksia ja solutuhoa. Lisäksi mutaatio katepsiini D geenin aktiivisessa kohdassa aiheuttaa synnynnäisen aivojen surkastuman lampailla, kuitenkin ilman sisäelinmuutoksia. Lampailla tauti johtaa kuolemaan muutaman päivän ikäisenä. Katepsiini D puutokset kuuluvat neuronaalisiin seroidi-lipofuskinooseihin (NCL-tauteihin), jotka ovat aivorappeumaan johtavia lysosomaalisia kertymätauteja. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli selvittää hermosolukuoleman molekyyli- ja solutason mekanismeja katepsiini D puutostaudeissa. Aluksi havaitsimme, että katepsiini D:n ilmentyminen kehittyvän rotan aivoissa muistuttaa synaptisen proteiinin, synaptofysiinin, ilmentymistä. Koska katepsiini D:n ilmentymisen kasvu lisäksi ajoittui aivojen myeliinin muodostumisen ajanjaksolle, päättelimme, että katepsiini D:llä voisi olla tehtävä aivojen varhaiskehityksessä. Lisäksi osoitimme, että mutaatio, joka aiheuttaa lampaan synnynnäisen NCL-taudin, ei ainoastaan vaikuta katepsiini D:n entsymaattiseen aktiivisuuteen, vaan muuttaa myös proteiinin stabiliteettiä, prosessointia sekä kuljetusta solun sisällä. Osoitimme myös, että etiologialtaan aiemmin tuntematon ihmisen synnynnäinen NCL-tauti johtuu katepsiini D:n puutoksesta, ja että tautj johtaa hermosolujen ja myeliinin lähes täydelliseen tuhoutumiseen keskushermostossa. Lopuksi löysimme ensimmäiset molekyylitason todisteet synaptisista poikkeavuuksista sekä talamokortikaalisista muutoksista katepsiini D poistogeenisissä hiirissä. Avainsanat: aivokuori, hermosolukuolema, katepsiini D, lysosomaalinen kertymätauti, lysosomi, mutaatio, neuronaalinen seroidi-lipofuskinoosi, synapsi, synnynnäinen, talamus, yliekspressio