Polygenic Risk Scores, Transcriptomics, and Molecular Mechanisms of Alzheimer's Disease

102 Pages·2015·4.3 MB·English

d
i
s
s
e
Henna Martiskainen r
t
a
t
Polygenic Risk Scores, i
o
n
s
Transcriptomics, and | 3
0
Molecular Mechanisms 6
| H
of Alzheimer’s Disease- e
n
n
Related Risk Genes a
M
a
r
Alzheimer’s disease (AD) is a t
i
s
genetically complex disease leading to k Henna Martiskainen
a
i
neurodegeneration and dementia. Over n
e
n Polygenic Risk Scores,
20 genetic risk variants have been | P
so far identified, but their molecular o
l
mechanisms in AD pathogenesis yg Transcriptomics, and
e
n
are poorly understood. This thesis i
c
investigates the effects of risk genes R Molecular Mechanisms
i
s
k
on the central pathogenic processes S
c
relevant for AD and assesses the o of Alzheimer’s Disease-
r
e
potential of DHCR24 and LRP1 genes s
, T
as therapeutic targets. The findings
r Related Risk Genes
a
presented in this thesis provide new n
s
c
information on the role of genetic r
i
p
risk factors in AD and may enable to
m
the development of novel treatment i
c
s
strategies for AD in the future. , a
n
d
M
o
l
e
c
u
l
a
r
M
e Publications of the University of Eastern Finland
c
h
a Dissertations in Health Sciences No 306
n
i
s
m
s
o
f
Publications of the University of Eastern Finland ...
Dissertations in Health Sciences
isbn 978-952-61-1925-0
issn 1798-5706

MARTISKAINEN HENNA

Polygenic risk scores, transcriptomics, and
molecular mechanisms of Alzheimer’s
disease-related risk genes

To be presented by permission of the Faculty of Health Sciences, University of Eastern
Finland for public examination in Auditorium MS301, Medistudia building in the
University of Eastern Finland, Kuopio, on Friday, November 6th 2015, at 12 noon

Publications of the University of Eastern Finland
Dissertations in Health Sciences
Number 306

Institute of Biomedicine and Institute of Clinical Medicine – Neurology,
School of Medicine, Faculty of Health Sciences,
University of Eastern Finland
Kuopio University Hospital
Kuopio

2015
Grano
Jyväskylä, 2015

Series Editors:
Professor Veli-Matti Kosma, M.D., Ph.D.
Institute of Clinical Medicine, Pathology
Faculty of Health Sciences

Professor Hannele Turunen, Ph.D.
Department of Nursing Science
Faculty of Health Sciences

Professor Olli Gröhn, Ph.D.
A.I. Virtanen Institute for Molecular Sciences
Faculty of Health Sciences

Professor Kai Kaarniranta, M.D., Ph.D.
Institute of Clinical Medicine, Ophthalmology
Faculty of Health Sciences

Lecturer Veli-Pekka Ranta, Ph.D. (pharmacy)
School of Pharmacy
Faculty of Health Sciences

Distributor:
University of Eastern Finland
Kuopio Campus Library
P.O.Box 1627
FI-70211 Kuopio, Finland
http://www.uef.fi/kirjasto

ISBN (print): 978-952-61-1925-0
ISBN (pdf): 978-952-61-1926-7
ISSN (print): 1798-5706
ISSN (pdf): 1798-5714
ISSN-L: 1798-5706
III

Author’s address: Institute of Biomedicine and Institute of Clinical Medicine – Neurology
School of Medicine
University of Eastern Finland
FI-70211 KUOPIO, FINLAND

Supervisors: Professor Mikko Hiltunen, Ph.D.
Institute of Biomedicine, School of Medicine
University of Eastern Finland
KUOPIO, FINLAND

Associate Professor Annakaisa Haapasalo, Ph.D.
A.I. Virtanen Institute for Molecular Sciences
University of Eastern Finland
KUOPIO, FINLAND

Senior Researcher Kaisa Kurkinen, Ph.D.
Institute of Biomedicine, School of Medicine
University of Eastern Finland
KUOPIO, FINLAND

Professor Hilkka Soininen, M.D., Ph.D.
Institute of Clinical Medicine – Neurology, School of Medicine
University of Eastern Finland and
Department of Neurology
Kuopio University Hospital
KUOPIO, FINLAND

Reviewers: Associate Professor Daniel Marenda, Ph.D.
Department of Biology
Drexel University
PHILADELPHIA, USA

Associate Professor Paula Moreira, Ph.D.
Center for Neuroscience and Cell Biology
University of Coimbra
COIMBRA, PORTUGAL

Opponent: Professor Robert Vassar, Ph.D.
Department of Cell and Molecular Biology
Feinberg School of Medicine
Northwestern University
CHICAGO, USA
IV
V

Martiskainen, Henna
Polygenic risk scores, transcriptomics, and molecular mechanisms of Alzheimer’s disease-related risk genes
University of Eastern Finland, Faculty of Health Sciences
Publications of the University of Eastern Finland. Dissertations in Health Sciences Number 306. 2015. 81 p.

ISBN (print): 978-952-61-1925-0
ISBN (pdf): 978-952-61-1926-7
ISSN (print): 1798-5706
ISSN (pdf): 1798-5714
ISSN-L: 1798-5706

ABSTRACT

Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disorder that leads to memory
impairment and eventually dementia. Neuropathologically, AD is characterized by senile plaques
and neurofibrillary tangles (NFTs), composed of amyloid-β (Aβ) peptide and hyperphosphorylated
protein tau, respectively. Other central features include synaptic and neuronal loss and inflammation.
AD is genetically heterogeneous with over 20 genetic loci known to affect individual’s risk; however,
the molecular mechanisms of these heritable risk factors are poorly understood. Currently, only
symptomatic treatments for clinically defined AD are available, thus, studies leading to better
understanding of the mechanisms underlying the pathogenesis of AD may provide opportunities for
developing urgently needed therapeutic treatments.
The aim of this thesis was to study the associations between the risk genes and pathological
pathways in AD, and to assess and review the potential of DHCR24 and LRP1 as therapeutic targets.
Minor alleles in the SLC24A4 and EPHA1 loci were found to nominally associate with increased levels
of cerebrospinal fluid (CSF) Aβ, whereas the minor allele of FERMT2 locus nominally associated with
increased total and phosphorylated tau levels in the CSF of AD patients. Polygenic risk score
combining 22 AD loci associated with Aβ levels in the CSF of AD patients and in the temporal cortex
of a neuropathological cohort. Interestingly, the activity of γ-secretase in the temporal cortex
correlated with the polygenic risk score only when the strongest known genetic risk factor, APOE,
was excluded. Expression of MS4A6A and FRMD4A significantly increased and decreased,
respectively, in the temporal cortex in relation to increased AD-related neurofibrillary pathology. In
vitro analysis revealed increased Aβ production after down-regulation of FRMD4A or ABCA7.
Changes in tau phosphorylation were detected after down-regulation of FRMD4A or CD2AP.
Finally, lentivirus-mediated DHCR24 overexpression was found to protect mouse primary cortical
neurons from death upon induction of neuroinflammation in coculture with BV2 microglia. The
protective effect was not mediated via activation of Akt/ERK survival signaling pathways, reduced
production of nitric oxide or inflammatory cytokines or decreased caspase-3 activation. In conclusion,
the data in this thesis suggest that increased DHCR24 levels might be protective in AD. In addition,
LRP1 is involved in several different aspects of Aβ clearance, and the promotion of these clearance
activities might be beneficial in AD.
Collectively, this thesis provides new information on the role AD-related risk genes in the
pathogenesis of AD. These findings might enable the development of novel treatment strategies for
AD in the future.

National Library of Medicine Classification: WT 155, QU 475, QU 477, QU 500, QU 550.5.G4
Medical Subject Headings: Alzheimer disease/genetics; Gene Expression; Transcriptome; Genetic
Variation; Multifactorial Inheritance; Risk Factors; Genes; Genetic Loci; Alleles; Biological Markers;
Cerebrospinal Fluid; Inflammation; Brain; Neuroprotective Agents; Polymorphism, Single
Nucleotide
VI
VII

Martiskainen, Henna
Alzheimerin taudin riskigeenien polygeeniset riskiarvot, transkriptomiikka ja molekulaariset mekanismit
Itä-Suomen yliopisto, Terveystieteiden tiedekunta
Publications of the University of Eastern Finland. Dissertations in Health Sciences Numero 306. 2015. 81 s.

ISBN (print): 978-952-61-1925-0
ISBN (pdf): 978-952-61-1926-7
ISSN (print): 1798-5706
ISSN (pdf): 1798-5714
ISSN-L: 1798-5706

TIIVISTELMÄ:

Alzheimerin tauti (AT) on dementiaa aiheuttava etenevä hermoston rappeumasairaus. Tärkeimmät
neuropatologiset löydökset AT:ssa ovat aivoihin kertyvät β-amyloidipeptidistä (Aβ) koostuvat plakit
sekä hyperfosforyloituneesta tau-proteiinista muodostuvat neurofibrillikimput. Muita keskeisiä
piirteitä AT:ssa ovat hermopäätteiden ja hermosolujen tuhoutuminen sekä aivoissa vallitseva
tulehdus. Geneettiseltä pohjaltaan AT on monimuotoinen, ja nykyään tunnetaan yli 20 geneettistä
varianttia, jotka vaikuttavat yksilön riskiin sairastua AT:iin, mutta näiden varianttien toiminnalliset
mekanismit AT:n patogeneesissä tunnetaan huonosti. AT:iin on tällä hetkellä tarjolla ainoastaan
oireenmukaista hoitoa, eikä tautia ole mahdollista estää tai sen etenemistä pysäyttää. AT:n
patogeneesin parempaan tuntemukseen tähtäävät tutkimukset ovatkin ensiarvoisen tärkeitä, sillä ne
mahdollistavat uusien hoitokeinojen kehittämisen.
Tämän väitöstutkimuksen tavoitteena oli selvittää AT:n geneettisten riskitekijöiden yhteyttä AT:n
patogeneesiin sekä arvioida DHCR24- ja LRP1-proteiinien roolia AT:n lääkehoidon kohteena.
Geneettiset riskivariantit SLC24A4- ja EPHA1-geeneissä olivat yhteydessä Aβ:n määrään, ja FERMT2-
geenin riskivariantti oli yhteydessä tau-proteiinin tasoihin AT-potilaiden aivo-selkäydinnesteessä,
mutta tulokset eivät olleet tilastollisesti merkitseviä korjausten jälkeen. Polygeeninen riskiarvo, joka
yhdistää 22 AT:n riskivarianttia oli yhteydessä Aβ:n määrään sekä aivo-selkäydinnesteessä että
ohimoaivokuorella. Polygeeninen riskiarvo korreloi Aβ:n tuotantoon osallistuvan γ-
sekretaasientsyymin aktiivisuuteen ohimoaivokuorella ainoastaan kun voimakkain geneettinen
riskitekijä APOE poistettiin riskiarvosta. Tutkittaessa riskigeenien ilmentymistä ohimoaivokuorella
havaittiin lisääntynyt MS4A6A:n ja vähentynyt FRMD4A:n ilmentyminen lisääntyneen
neurofibrillipatologian mukaan. In vitro-tutkimukset osoittivat Aβ:n tuotannon kasvavan, kun
FRMD4A- ja ABCA7-proteiinitasoja laskettiin. Tau-proteiinin fosforylaatiossa havaittiin muutoksia
FRMD4A- ja CD2AP-proteiinitasojen laskemisen seurauksena.
Lentivirusvälitteinen DHCR24-geenin yli-ilmentäminen suojasi hiiren aivokuoren
primäärihermosoluja neuroinflammaation aiheuttamalta solukuolemalta yhteisviljelmässä BV2-
mikrogliasolujen kanssa. Suojaava vaikutus ei ollut yhteydessä typpioksidin tai tulehdusta lisäävän
sytokiinin tuotantoon, kaspaasi-3:n aktivaatioon tai Akt ja ERK-signalointireittien
aktiviteettimuutoksiin. Saatujen tulosten perusteella DHCR24:n ilmentymisen nostaminen voisi olla
hyödyllistä AT:n hoidossa. LRP1 osallistuu Aβ:n poistamiseen aivoista usealla tavalla, ja näiden
toimintojen edistäminen saattaa olla hyödyllistä AT:n hoidossa.
Yhteenvetona, tämä väitöskirja tarjoaa uutta tietoa geneettisten riskitekijöiden osuudesta AT:n
patogeneesissa. Nämä löydökset voivat tulevaisuudessa avata tietä uudenlaisten AT:n hoitokeinojen
kehittämiselle.

Luokitus: WT 155, QU 475, QU 477, QU 500, QU 550.5.G4
Yleinen Suomalainen asiasanasto: Alzheimerin tauti; geenit; geeniekspressio; geneettinen muuntelu;
periytyvyys; riskitekijät; markkerit; aivo-selkäydinneste; tulehdus; aivot
VIII