Pathogenic Mechanisms of Polycystic Lipomembranous Osteodysplasia with Sclerosing Leukoencephalopathy (PLOSL)

PATHOGENIC MECHANISMS OF PLOSL Polycystic lipomembranous osteodysplasia with sclerosing leukoencephalopathy (PLOSL), also known as Nasu-Hakola disease, is a recessively inherited disease of brain and bone. PLOSL manifests as early-onset progressive dementia and bone fractures. Mutations in the TYROBP (DAP12) and TREM2 genes have been identified as the primary cause of PLOSL. DAP12 and TREM2 encode important signalling molecules in cells of the innate immune system. The mechanism by which loss-of-function of the DAP12/TREM2 signalling complex leads to PLOSL is currently unknown. The aim of this thesis work was to gain insight into the pathogenic mechanisms behind PLOSL. To first identify the central nervous system (CNS) cell types that express both Dap12 and Trem2, the expression patterns of Dap12 and Trem2 in mouse CNS were analyzed. Dap12 and Trem2 expression was seen from embryonic stage to adulthood and microglial cells and oligodendrocytes were identified as the major Dap12/Trem2 producing cells of the CNS. To subsequently identify the pathways and biological processes associated with DAP12/TREM2 mediated signalling in human cells, genome wide transcript analysis of in vitro differentiated dendritic cells (DCs) of PLOSL patients representing functional knockouts of either DAP12 or TREM2 was performed. Both DAP12 and TREM2 deficient cells differentiated into DCs and responded to pathogenic stimuli. However, the DCs showed morphological differences compared to control cells due to defects in the actin filaments. Transcript profiles of the patient DCs showed differential expression of genes involved in immune response and for genes earlier associated with other disorders of the CNS as well as genes involved in the remodeling of bone, linking the findings with the tissue phenotype of PLOSL patients. To analyze the effect of Dap12 deficiency in the CNS, genome wide expression analysis of Dap12 deficient mouse brain and Dap12 deficient microglia as well as functional analysis of Dap12 deficient microglia was performed. Regulation of several pathways involved in synaptic function and transcripts coding for the myelin components was seen in Dap12 knockout mice. Decreased migration, morphological changes and shortened lifespan of the Dap12 knockout microglia was further observed. Taken together, this thesis work showed that both Dap12 and Trem2 are expressed by CNS microglia and that Dap12 deficiency results in functional defects of these cells. Lack of Dap12 in the CNS also leads to synaptic abnormalities even before pathological changes are seen in the tissue level.This work further showed that loss-of-function of DAP12 or TREM2 leads to changes in morphology and gene expression in human dendritic cells. These data underline the functional diversity of the molecules of the innate immune system and implies their significant contribution also in demyelinating CNS disorders, including those resulting in dementia.

PLOSL:N TAUTIMEKANISMIT Polykystinen lipomembranoottinen osteodysplasia ja sklerosoiva leukoenkefalopatia (PLOSL) on autosomissa peittyvästi periytyvä luuston ja aivojen sairaus. PLOSL:sta käytetään myös nimeä Nasu-Hakolan tauti. PLOSL aiheuttaa luuston heikkenemistä ja varhaisella iällä alkavan dementian. Mutaatiot TYROBP (DAP12) ja TREM2 geeneissä johtavat PLOSL:n. DAP12 ja TREM2 proteiinit ovat tärkeitä elimistön puolustusjärjestelmän solujen normaalille toiminnalle. Mekanismi, jolla DAP12/TREM2 puute johtaa PLOSL:n, on kuitenkin selvittämättä. Tämän väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli selvittää PLOSL:n tautimekanismeja. Aluksi selvitettiin missä ja milloin DAP12 ja TREM2 geenejä ilmennetään keskushermostossa. Molempia ilmennettiin samoilla aivoalueilla sikiökaudelta lähtien aina aikuisuuteen saakka. Havaittiin myös, että DAP12:ta ja TREM2:ta ilmennetään keskushermostossa erityisesti mikroglia- ja oligodendrosyytti-soluissa. Seuraavaksi haluttiin selvittää mihin aineenvaihduntareitteihin ja solun toimintoihin DAP12:n ja TREM2:n puutos vaikuttaa ihmisen soluissa. Tätä varten tarkasteltiin ihmisen kaikkien geenien ilmentymistä yhtäaikaisesti potilaiden dendriittisoluissa, joissa DAP12 ja TREM2 geenit eivät toimi. Eroja nähtiin sekä immuunipuolustukseen liittyvien geenien että keskushermostosairauksiin ja luun muodostukseen liittyvien geenien ilmentymisessä potilaiden ja kontrollien välillä. Solujen rakenteessa nähtiin lisäksi muutoksia. Lopuksi tarkasteltiin DAP12:n puutoksen seurauksia keskushermostossa analysoimalla kaikkien geenien ilmentymistä sekä aivokudoksessa että mikroglia-soluissa. Mikroglia-soluilla tehtiin myös toiminnallisia kokeita. Tässä väitöskirjatyössä tunnistettiin PLOSL:n kannalta tärkeät solutyypit keskushermostossa ja havaittiin että DAP12:n puute johtaa näiden solujen vialliseen toimintaan, mikä puolestaan vaikuttaa koko keskushermoston toimintaan. DAP12:n ja TREM2:n puute johtaa lisäksi solujen rakenteen ja geenien ilmentymisen muutoksiin ihmisen dendriittisoluissa. Tutkimuksen tulokset korostavat synnynnäiseen immuniteettiin liittyvien molekyylien toiminnan monimuotoisuutta ja viittaavat siihen, että niillä on tärkeä rooli myös keskushermostoa rappeuttavissa sairauksissa.