Quantitative studies of lower motor neuron degeneration in amyotrophic lateral sclerosis : Evidence for exponential decay of motor unit numbers and greatest rate of loss at the site of onset

Objective: To use our Bayesian method of motor unit number estimation (MUNE) to evaluate lower motor neuron degeneration in ALS. Methods: In subjects with ALS we performed serial MUNE studies. We examined the repeatability of the test and then determined whether the loss of MUs was fitted by an exponential or Weibull distribution. Results: The decline in motor unit (MU) numbers was well-fitted by an exponential decay curve. We calculated the half life of MUs in the abductor digiti minimi (ADM), abductor pollicis brevis (APB) and/or extensor digitorum brevis (EDB) muscles. The mean half life of the MUs of ADM muscle was greater than those of the APB or EDB muscles. The half-life of MUs was less in the ADM muscle of subjects with upper limb than in those with lower limb onset. Conclusions: The rate of loss of lower motor neurons in ALS is exponential, the motor units of the APB decay more quickly than those of the ADM muscle and the rate of loss of motor units is greater at the site of onset of disease. Significance: This shows that the Bayesian MUNE method is useful in following the course and exploring the clinical features of ALS. 2012 International Federation of Clinical Neurophysiology.

Novel TBK1 truncating mutation in a familial amyotrophic lateral sclerosis patient of Chinese origin

Missense and frameshift mutations in TRAF family member-associated NF-kappa-B activator (TANK)-binding kinase 1 (TBK1) have been reported in European sporadic and familial amyotrophic lateral sclerosis (ALS) cohorts. To assess the role of TBK1 in ALS patient cohorts of wider ancestry, we have analyzed whole-exome sequence data from an Australian cohort of familial ALS (FALS) patients and controls. We identified a novel TBK1 deletion (c.1197delC) in a FALS patient of Chinese origin. This frameshift mutation (p.L399fs) likely results in a truncated protein that lacks functional domains required for adapter protein binding, as well as protein activation and structural integrity. No novel or reported TBK1 mutations were identified in FALS patients of European ancestry. This is the first report of a TBK1 mutation in an ALS patient of Asian origin and indicates that sequence variations in TBK1 are a rare cause of FALS in Australia. © 2015 Elsevier Inc.

Early Functional Deficit and Microglial Disturbances in a Mouse Model of Amyotrophic Lateral Sclerosis

11 p.

Genetics of amyotrophic lateral sclerosis

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est la maladie des neurones moteurs la plus fréquente, affectant 4-6 individus par 100,000 habitants à l’échelle mondiale. La maladie se caractérise par une faiblesse et une atrophie musculaire suite à la dégénérescence des neurones du cortex moteur, tronc cérébral et moelle épinière. Les personnes atteintes développent les premiers symptômes à l’âge adulte et la maladie progresse sur une période de trois à cinq ans. Il a été répertorié qu’environ 10% des patients ont une histoire familiale de SLA; 90% des gens affectés le sont donc de façon sporadique. La découverte il y a 19 ans de mutations dans le gène zinc/copper superoxide dismutase (SOD1), présentes dans 15-20% des cas familiaux de SLA et environ 2% du total des individus affectés, a été l’événement déclencheur pour la découverte de variations génétiques responsables de la maladie. La recherche sur la génétique de la SLA a connu une progression rapide ces quatre dernières années avec l’identification de mutations dans de nouveaux gènes. Toutefois, même si certains de ces gènes ont été démontrés comme réellement liés à la maladie, la contribution d’autres gènes demeure incertaine puisque les résultats publiés de ceux-ci n’ont pas, à ce jour, été répliqués. Une portion substantielle de cas reste cependant à être génétiquement expliquée, et aucun traitement à ce jour n’a été démontré comme étant efficace pour remédier, atténuer ou prévenir la maladie. Le but du projet de recherche de doctorat était d’identifier de nouveaux gènes mutés dans la SLA, tout en évaluant la contribution de gènes nouvellement identifiés chez une importante cohorte multiethnique de cas familiaux et sporadiques. Les résultats présentés sont organisés en trois sections différentes. Dans un premier temps, la contribution de mutations présentes dans le gène FUS est évaluée chez les patients familiaux, sporadiques et juvéniles de SLA. Précisément, de nouvelles mutations sont rapportées et la proportion de mutations retrouvées chez les cas familiaux et sporadiques de SLA est évaluée. De plus, une nouvelle mutation est rapportée dans un cas juvénile de SLA; cette étude de cas est discutée. Dans un deuxième temps, de nouvelles avenues génétiques sont explorées concernant le gène SOD1. En effet, une nouvelle mutation complexe est rapportée chez une famille française de SLA. De plus, la possibilité qu’une mutation présente dans un autre gène impliqué dans la SLA ait un impact sur l’épissage du gène SOD1 est évaluée. Finalement, la dernière section explique la contribution de nouveaux gènes candidats chez les patients atteints de SLA. Spécifiquement, le rôle des gènes OPTN, SIGMAR1 et SORT1 dans le phénotype de SLA est évalué. Il est souhaité que nos résultats combinés avec les récents développements en génétique et biologie moléculaire permettent une meilleure compréhension du mécanisme pathologique responsable de cette terrible maladie tout en guidant le déploiement de thérapies suite à l’identification des cibles appropriées.

Uncovering the role of misfolded SOD1 in the pathogenesis of Amyotrophic Lateral Sclerosis

La sclérose latérale amyothrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative charactérisée par la perte des neurones moteurs menant à la paralysie et à la mort. Environ 20% des cas familiaux de la SLA sont causés par des mutations de la superoxyde dismutase 1 (SOD1), conduisant vers un mauvais repliement de la protéine SOD1, ce qui a comme conséquence un gain de fonction toxique. Plusieurs anticorps spécifiques pour la forme mal repliée de la protéine ont été générés et utilisés comme agent thérapeutique dans des modèles précliniques. Comment le mauvais repliement de SOD1 provoque la perte sélective des neurones moteurs demeure non résolu. La morphologie, le bilan énergétique et le transport mitochondrial sont tous documentés dans les modèles de la SLA basés sur SOD1, la détérioration des mitochondries joue un rôle clé dans la dégénération des neurones moteurs. De plus, la protéine SOD1 mal repliée s’associe sélectivement sur la surface des mitochondries de la moelle épinière chez les modèles de rongeurs de la SLA. Notre hypothèse est que l’accumulation de la protéine SOD1 mal repliée sur les mitochondries pourrait nuire aux fonctions mitochondriales. À cette fin, nous avons développé un nouvel essai par cytométrie de flux afin d’isoler les mitochondries immunomarquées avec des anticorps spécifiques à la forme malrepliée de SOD1 tout en évaluant des aspects de la fonction mitochondriale. Cette méthode permettra de comparer les mitochondries portant la protéine SOD1 mal repliée à celles qui ne la portent pas. Nous avons utilisé un anticorps à conformation spécifique de SOD1, B8H10, pour démontrer que la protéine mal repliée SOD1 s’associe avec les mitochondries de la moelle épinière des rat SOD1G93A d’une manière dépendante du temps. Les mitochondries avec la protéine mal repliée SOD1 B8H10 associée à leur surface (B8H10+) ont un volume et une production excessive de superoxyde significativement plus grand, mais possèdent un potentiel transmembranaire comparable aux mitochondries B8H10-. En outre, la présence de la protéine mal repliée SOD1 reconnue par B8H10 coïncide avec des niveaux plus élevés de la forme pro-apoptotique de Bcl-2. L’immunofluorescence de sections de moelle épinière du niveau lombaire avec l’anticorps spécifique à la conformation B8H10 et AMF7-63, un autre anticorps conformationnel spécifique de SOD1, démontre des motifs de localisations distincts. B8H10 a été trouvé principalement dans les neurones moteurs et dans plusieurs points lacrymaux dans tout le neuropile. Inversement, AMF7-63 a marqué les neurones moteurs ainsi qu’un réseau fibrillaire distinctif concentré dans la corne antérieure. Au niveau subcellulaire, SOD1 possèdant la conformation reconnu par AMF7-63 est aussi localisée sur la surface des mitochondries de la moelle épinière d’une manière dépendante du temps. Les mitochondries AMF7-63+ ont une augmentation du volume comparé aux mitochondries B8H10+ et à la sous-population non marquée. Cependant, elles produisent une quantité similaire de superoxyde. Ensemble, ces données suggèrent qu’il y a plusieurs types de protéines SOD1 mal repliées qui convergent vers les mitochondries et causent des dommages. De plus, différentes conformations de SOD1 apportent une toxicité variable vers les mitochondries. Les protéines SOD1 mal repliées réagissant à B8H10 et AMF7-63 sont présentes en agrégats dans les fractions mitochondriales, nous ne pouvons donc pas prendre en compte leurs différents effets sur le volume mitochondrial. Les anticorps conformationnels sont des outils précieux pour identifier et caractériser le continuum du mauvais repliement de SOD1 en ce qui concerne les caractéristiques biochimiques et la toxicité. Les informations présentes dans cette thèse seront utilisées pour déterminer le potentiel thérapeutique de ces anticorps.

Neurofilament heavy subunit in cerebrospinal fluid: A biomarker of amyotrophic lateral sclerosis?

The objectives of this study were to investigate the presence of the three neurofilament subunits, ubiquitin, proteasome and 3-nitrotyrosine, in CSF samples of ALS patients. CSF samples were obtained by lumbar puncture from 10 ALS patients and six controls. All samples were analysed by Western blotting. Results revealed that neurofilament heavy subunit was identified in 70% of ALS cases and we conclude that this subunit may be a promising biomarker for clinical diagnosis of ALS.

Human skeletal muscle atrophy in amyotrophic lateral sclerosis reveals a reduction in Akt and an increase in atrogin-1

The molecular mechanisms influencing muscle atrophy in humans are poorly understood. Atrogin-1 and MuRF1, two ubiquitin E3-ligases, mediate rodent and cell muscle atrophy and are suggested to be regulated by an Akt/Forkhead (FKHR) signaling pathway. Here we investigated the expression of atrogin-1, MuRF1, and the activity of Akt and its catabolic (FKHR and FKHRL1) and anabolic (p70s6k and GSK-3β) targets in human skeletal muscle atrophy. The muscle atrophy model used was amyotrophic lateral sclerosis (ALS). All measurements were performed in biopsies from 22 ALS patients and 16 healthy controls as well as in G93A ALS mice. ALS patients had a significant increase in atrogin-1 mRNA and protein content, which was associated with a decrease in Akt activity. There was no difference in the mRNA and protein content of FKHR, FKHRL1, p70s6k, and GSK-3β. Similar observations were made in the G93A ALS mice. Human skeletal muscle atrophy, as seen in the ALS model, is associated with an increase in atrogin-1 and a decrease in Akt. The transcriptional regulation of human atrogin-1 may be controlled by an Akt-mediated transcription factor other than FKHR or via another signaling pathway.

Properties of slow- and fast-twitch muscle fibres in a mouse model of amyotrophic lateral sclerosis

This investigation was undertaken to determine if there are altered histological, pathological and contractile properties in presymptomatic or endstage diseased muscle fibres from representative slow-twitch and fast-twitch muscles of SOD1 G93A mice in comparison to wildtype mice. In presymptomatic SOD1 G93A mice, there was no detectable peripheral dysfunction, providing evidence that muscle pathology is secondary to motor neuronal dysfunction. At disease endstage however, single muscle fibre contractile analysis demonstrated that fast-twitch muscle fibres and neuromuscular junctions are preferentially affected by amyotrophic lateral sclerosis-induced denervation, being unable to produce the same levels of force when activated by calcium as muscle fibres from their age-matched controls. The levels of transgenic SOD1 expression, aggregation state and activity were also examined in these muscles but there no was no preference for muscle fibre type. Hence, there is no simple correlation between SOD1 protein expression/activity, and muscle fibre type vulnerability in SOD1 G93A mice.

Living with amyotrophic lateral sclerosis/motor neurone disease (ALS/MND) : decision-making about 'ongoing change and adaptation

Aims and objectives. To present a model that explicates the dimensions of change and adaptation as revealed by people who are diagnosed and live with amyotrophic lateral sclerosis/motor neurone disease.

Background. Most research about amyotrophic lateral sclerosis/motor neurone disease is medically focused on cause and cure for the illness. Although psychological studies have sought to understand the illness experience through questionnaires, little is known about the experience of living with amyotrophic lateral sclerosis/motor neurone disease as described by people with the disease.

Design. A grounded theory method of simultaneous data collection and constant comparative analysis was chosen for the conduct of this study.

Methods. Data collection involved in-depth interviews, electronic correspondence, field notes, as well as stories, prose, songs and photographs important to participants. QSR NVivo 2® software was used to manage the data and modelling used to illustrate concepts.

Findings. Participants used a cyclic, decision-making pattern about 'ongoing change and adaptation' as they lived with the disease. This pattern formed the basis of the model that is presented in this paper.

Conclusion. The lives of people living with amyotrophic lateral sclerosis/motor neurone disease revolve around the need to make decisions about how to live with the disease progression and their deteriorating abilities. Life decisions were negotiated by participants to maintain a sense of self and well-being in the face of change.

Relevance to clinical practice. The 'ongoing change and adaptation' model is a framework that can guide practitioners to understand the decision-making processes of people living with amyotrophic lateral sclerosis/motor neurone disease. Such understanding will enhance caring and promote models of care that are person-centred. The model may also have relevance for people with other life limiting diseases and their care.

Oral treatment with Cu(II)(atsm) increases mutant SOD1 in vivo but protects motor neurons and improves the phenotype of a transgenic mouse model of amyotrophic lateral sclerosis

Mutations in the metallo-protein Cu/Zn-superoxide dismutase (SOD1) cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS) in humans and an expression level-dependent phenotype in transgenic rodents. We show that oral treatment with the therapeutic agent diacetyl-bis(4-methylthiosemicarbazonato)copper(II) [Cu(II)(atsm)] increased the concentration of mutant SOD1 (SOD1G37R) in ALS model mice, but paradoxically improved locomotor function and survival of the mice. To determine why the mice with increased levels of mutant SOD1 had an improved phenotype, we analyzed tissues by mass spectrometry. These analyses revealed most SOD1 in the spinal cord tissue of the SOD1G37R mice was Cu deficient. Treating with Cu(II)(atsm) decreased the pool of Cu-deficient SOD1 and increased the pool of fully metallated (holo) SOD1. Tracking isotopically enriched (65)Cu(II)(atsm) confirmed the increase in holo-SOD1 involved transfer of Cu from Cu(II)(atsm) to SOD1, suggesting the improved locomotor function and survival of the Cu(II)(atsm)-treated SOD1G37R mice involved, at least in part, the ability of the compound to improve the Cu content of the mutant SOD1. This was supported by improved survival of SOD1G37R mice that expressed the human gene for the Cu uptake protein CTR1. Improving the metal content of mutant SOD1 in vivo with Cu(II)(atsm) did not decrease levels of misfolded SOD1. These outcomes indicate the metal content of SOD1 may be a greater determinant of the toxicity of the protein in mutant SOD1-associated forms of ALS than the mutations themselves. Improving the metal content of SOD1 therefore represents a valid therapeutic strategy for treating ALS caused by SOD1.