Molecular Interactions Underlying Neuronal Ceroid Lipofuscinoses CLN1 and CLN5

Disorders resulting from degenerative changes in the nervous system are progressive and incurable. Both environmental and inherited factors affect neuron function, and neurodegenerative diseases are often the sum of both factors. The cellular events leading to neuronal death are still mostly unknown. Monogenic diseases can offer a model for studying the mechanisms of neurodegeneration. Neuronal ceroid lipofuscinoses, or NCLs, are a group of monogenic, recessively inherited diseases affecting mostly children. NCLs cause severe and specific loss of neurons in the central nervous system, resulting in the deterioration of motor and mental skills and leading to premature death. In this thesis, the focus has been on two forms of NCL, the infantile NCL (INCL, CLN1) and the Finnish variant of late infantile NCL (vLINCLFin, CLN5). INCL is caused by mutations in the CLN1 gene encoding for the PPT1 (palmitoyl protein thioesterase 1) enzyme. PPT1 removes a palmitate moiety from proteins in experimental conditions, but its substrates in vivo are not known. In the Finnish variant of late infantile NCL (vLINCLFin), the CLN5 gene is defective, but the function of the encoded CLN5 has remained unknown. The aim of this thesis was to elucidate the disease mechanisms of these two NCL diseases by focusing on the molecular interactions of the defective proteins. In this work, the first interaction partner for PPT1, the mitochondrial F1-ATP synthase, was described. This protein has been linked to HDL metabolism in addition to its well-known role in the mitochondrial energy production. The connection between PPT1 and the F1-ATP synthase was studied utilizing the INCL-disease model, the genetically modified Ppt1-deficient mice. The levels of F1-ATP synthase subunits were increased on the surface of Ppt1-deficient neurons when compared to controls. We also detected several changes in lipid metabolism both at the cellular and systemic levels in Ppt1-deficient mice when compared to controls. The interactions between different NCL proteins were also elucidated. We were able to detect novel interactions between CLN5 and other NCL proteins, and to replicate the previously reported interactions. Some of the novel interactions influenced the intracellular trafficking of the proteins. The multiple interactions between CLN5 and other NCL proteins suggest a connection between the NCL subtypes at the cellular level. The main results of this thesis elicit information about the neuronal function of PPT1. The connection between INCL and neuronal lipid metabolism introduces a new perspective to this rather poorly characterized subject. The evidence of the interactions between NCL proteins provides the basis for future research trying to untangle the NCL disease mechanisms and to develop strategies for therapies.

Hermostoa rappeuttavat sairaudet ovat eteneviä ja parantumattomia. Sekä ympäristöstä riippuvaiset että perityt tekijät vaikuttavat hermosolujen toimintaan, ja hermoston rappeumasairaudet ovat usein molempien tekijöiden summa. Hermosolujen kuolemaan johtavat solutason tapahtumat ovat kuitenkin suurelta osin tuntemattomia. Yhden geenin virheestä aiheutuvat taudit voivat toimia malleina selvitettäessä hermoston rappeuman mekanismeja. NCL-taudit eli neuronaaliset seroidilipofuskinoosit ovat resessiivisesti periytyviä yhden geenin sairauksia ja ilmenevät pääasiassa lapsuusiässä. NCL-taudit aiheuttavat vakavan hermosolujen tuhoutumisen keskushermoston alueella, johtaen sokeutumiseen, psykomotorisen kehityksen häiriintymiseen ja ennenaikaiseen kuolemaan. Tässä väitöskirjatyössä ollaan keskitytty kahteen suomalaiseen tautiperintöön kuuluvaan NCL-tautiin, infantiiliin NCL:n (INCL, CLN1) ja myöhäisen lapsuusiän NCL-tautiin (vLINCLFin, CLN5). INCL-taudissa palmityyliproteiini-tioesteraasia eli PPT1-entsyymiä koodittava CLN1-geeni on mutatoitunut. PPT1:n on todettu poistavan palmitaatti-rasvahappotähdettä proteiineista koeolosuhteissa, mutta sen toiminta elimistössä on vielä tuntematon. vLINCLFin-taudissa CLN5-geeni on vioittunut, mutta geenin koodittaman CLN5-proteiinin toimintaa ei toistaiseksi tunneta. Väitöskirjatyössä pyrittiin selvittämään näiden kahden NCL-taudin tautimekanismeja keskittymällä taudeissa vioittuneiden proteiinien molekyylitason vuorovaikutusten selvittämiseen. Työssä kuvattiin PPT1:n ensimmäinen vuorovaikutuskumppani, mitokondriaalinen F1-ATP syntaasi. Tämä proteiini ollaan yhdistetty mitokondriaalisen energian tuotannon lisäksi HDL-rasva-aineenvaihduntaan. PPT1:n ja F1-ATP syntaasin välistä vuorovaikutusta tutkittiin INCL-tautimallin, Ppt1-siirtogeenisen hiiren avulla. F1-ATP syntaasia ilmennettiin normaalia enemmän Ppt1-puutteisten hermosolujen pinnalla. Havaitsimme lisäksi merkittäviä rasva-aineenvaihdunnan muutoksia Ppt1-puutteisissa hiirissä kontrollihiiriin verrattuna sekä solutasolla että systeemisesti. Työssä selvitettiin myös NCL-proteiinien keskinäisiä vuorovaikutuksia. Jo aiemmin raportoitujen vuorovaikutusten lisäksi havaitsimme kolme uutta sitoutumista CLN5:n ja muiden NCL-proteiinien välillä. Joidenkin proteiinien välillä sitoutuminen vaikutti proteiinien solunsisäiseen kuljetukseen. CLN5:n vuorovaikutukset lukuisten muiden NCL-proteiinien kanssa viittaavat solutason yhteyden olemassaoloon eri NCL-tautien välillä. Väitöskirjan tulokset tuovat lisätietoa PPT1:n toiminnasta hermosolussa. Yhteys INCL-taudin ja hermosolun rasva-aineenvaihdunnan välillä tuo mielenkiintoisen näkökulman aiheeseen, josta toistaiseksi tiedetään varsin vähän. Todisteet NCL-proteiinien välisistä vuorovaikutuksista solutasolla antavat pohjaa tuleville tutkimuksille NCL-tautimekanismien selvittämiseksi ja hoitomuotojen kehittämiseksi.