Cellular, molecular and behavioral analysis of neurodegeneration in a transgenic spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1) model in zebrafish
Spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1) is a late-onset neurodegenerative disease caused by expansion of the polyglutamine (polyQ) tract in Ataxin-1 protein (Atx1). The cellular mechanisms of how the altered function of Atx1 causes progressive neurodegeneration of the cerebellum are still not fully understood. Zebrafish (Danio rerio) is a powerful organism for in vivo bioimaging of disease mechanisms and compound studies. Therefore, this study aimed to establish a genetic model of SCA1 in zebrafish accessible for observing affected Purkinje cells (PCs) using fluorescent protein reporters and biosensors and for monitoring the behavioral performance of affected fish in relation to their disease progression. Three stable transgenic zebrafish strains were generated expressing the membrane-targeted red fluorescent reporter GAPmScarlet only or together with the human protein Atx1 (30Q or 82Q) in bidirectional DNA constructs under control of a PC-specific enhancer. These strains were subjected to long term in vivo monitoring of PC degeneration. They were also subjected to calcium imaging at larval stages. Furthermore, long term behavioral analysis was performed. The SCA1 zebrafish strain expressing Atx1[82Q] developed a larval cerebellum indistinguishable from the control strains. However, calcium-transient activity revealed onset of PC abnormal physiology already evident at 6 and 12 days post fertilization (dpf). Yet an age-dependent progressive degeneration of PCs was observed starting at 40 dpf. Although this neuropathology did not result in gross locomotor deficits, late juveniles at 2 months post fertilization (mpf) as well as adults at 3 mpf with advanced PC loss demonstrated a strongly-reduced exploratory behavior. However, early juvenile SCA1 fish at 40 dpf did not display behavioral deficits probably due to less-pronounced PC degeneration. This novel SCA1 neurodegeneration model in zebrafish, mimicking human SCA1 pathology, is a powerful tool to reveal the causative mechanisms of cytotoxicity in vivo. Moreover, this model can be used for validating candidate compounds against such a devastative neurological disease for their efficacy, side effects and blood brain barrier passage.
Die spinozerebelläre Ataxie Typ 1 (SCA1) ist eine spät auftretende neurodegenerative Erkrankung, die durch eine Expansion des Polyglutamin-Trakts (polyQ) im Ataxin-1-Protein (Atx1) verursacht wird. Die zellulären Mechanismen, wie die veränderte Funktion von Atx1 eine fortschreitende Neurodegeneration des Kleinhirns verursacht, sind noch nicht vollständig verstanden. Der Zebrafisch (Danio rerio) ist ein leistungsfähiger Organismus für das in vivo Bioimaging von Krankheitsmechanismen und Wirkstoffstudien. Daher zielte diese Studie darauf ab, ein genetisches Modell von SCA1 im Zebrafisch zu etablieren, das für die Beobachtung betroffener Purkinje-Zellen (PC) mit Hilfe von Fluoreszenzprotein-Reportern und Biosensoren zugänglich ist, sowie für die Beobachtung des Verhaltens betroffener Fische in Abhängigkeit von ihrem Krankheitsverlauf. Es wurden drei stabile transgene Zebrafischstämme generiert, die den membrangezielten rot fluoreszierenden Reporter GAPmScarlet allein oder zusammen mit dem humanen Protein Atx1 (30Q oder 82Q) in bidirektionalen DNA-Konstrukten unter Kontrolle eines PC-spezifischen Enhancers exprimieren. Es folgten langfristige in vivo Studien der drei Linien mit besonderem Augenmerk auf das degenerative Verhalten der Purkinje Zellen, sowohl in Larven als auch in adulten Tieren. Hierfür wurden unter anderem Kalzium-Bildgebungsanalysen im Larvenstadium und Langzeit-Verhaltensanalysen im Alter von 40 Tagen nach der Befruchtung (dpf), 2 und 3 Monaten nach der Befruchtung (mpf) durchgeführt. Der SCA1-Zebrafischstamm entwickelte ein larvales Kleinhirn, das sich nicht von dem der Kontrollstämme unterschied. Die Kalzium-Transientenaktivität zeigte jedoch den Beginn der abnormalen Physiologie des PC bereits am 6. und 12. dpf. Dennoch wurde eine altersabhängige progressive Degeneration der PCs erst ab 40 dpf beobachtet. Obwohl diese Neuropathologie nicht zu groben lokomotorischen Defiziten führte, zeigten die späten Juvenile sowie adulte Fische ein stark reduziertes Erkundungsverhalten. Die früh-juvenilen SCA1-Fische im Alter von 40 dpf zeigten jedoch keine Verhaltensdefizite. Dieses neuartige SCA1-Neurodegenerationsmodell im Zebrafisch, das die menschliche SCA1-Pathologie nachahmt, ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um die ursächlichen Mechanismen der Zytotoxizität in vivo aufzudecken und besser zu verstehen. Darüber hinaus kann dieses Modell zur Validierung von Wirkstoffkandidaten gegen eine solch verheerende neurologische Erkrankung hinsichtlich ihrer Wirksamkeit, Nebenwirkungen und Blut-Hirn-Schranken-Passage verwendet werden.
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