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DROSOPHILA AS MODEL FOR HUMAN NEURODGENERATIVE DISEASES
« Expanded Polyglutamine Protein Forms Nuclear Inclusions and Causes Neural
Degeneration in Drosophila »
John M. Warrick et al (1998) Cell 93, 939–949
« Genetic Suppression of Polyglutamine Toxicity in Drosophila »
Parsa Kazemi-Esfarjani and Seymour Benzer (2000) Science 287 :1837-1840
Maladie d’Alzheimer: en France, prévalence de 1 % entre 65 et 69 ans à plus de 15 % au delà
des 85 ans. 100 000 nouveaux cas /an de maladie d'Alzheimer dont environ les 2/3 survenant
chez des personnes de plus de 79 ans. Estimation 2010: 550 000 cas.
Atrophie cérébrale généralisée progressive présénile entraînant l'apparition d'une
démence lentement évolutive avec
>Troubles de langage jusqu’à l’ aphasie (perte de la parole)
>Troubles cognitifs: troubles de mémoire, exécutifs : planification d’actions
>Agnosie (déficit de la capacité de reconnaissance )
>Apraxie (incapacité à effectuer un mouvement ou une série de mouvements sur
consigne, trouble de coordination des mouvements) »
> Perte d’autonomie progressive (perte capacité à assurer ses besoins quotidiens)
Maladie de Huntington :prévalence 3 à 7/100000 en europe de l’ouest
Début tardif : 30 - 50 ans (2 - 70 ans), 6% de moins de 20 ans (transmission paternelle)
>Mouvements anormaux involontaires (Mouvements choréoathétosiques: mouvements
saccadés , explosifs, imprévisibles), Troubles de la marche : démarche raide, petits pas
>Troubles cognitifs: troubles de mémoire et d’attention suivis de trouble du langage
(dysarthrie) et des gestes
>Troubles psychiatriques: dépression (50%); troubles de caractère, psychoses (10%).
> Perte d’autonomie progressive
Maladie de Machado-Joseph (ataxie spinocérébelleuse de type 3 ,SCA3):
Dégénérescence spinocérébelleuse (de la moelle épinière et du cervelet)
3 types sont décrits
La forme la plus courante est de Type 2 appelé type ataxique :
Troubles de la démarche et ataxie des extrémités se déclarant à la deuxième et la quatrième décennie
Ataxie cérébelleuse (manque de coordination fine des mouvements volontaires):
Dysarthrie (difficulté à articuler les mots)
Mouvements avec une amplitude trop importante (le patient semble être ivre)
Impossibilité d'exécuter des mouvements rapides
Tremblements des membres d'un seul côté au cours des mouvements volontaires (atteinte de la moitié du
cervelet)
Syndrome extrapyramidal : Tremblement régulier qui atteint généralement l'extrémité des
membres supérieurs. Le tremblement s’accentue quand le patient se concentre en particulier en effectuant
un calcul mental et disparaît quand le patient effectue des mouvements sous le contrôle de la volonté.
Akinésie (lenteur d'initiation des mouvements avec une tendance à l'immobilité )
Clignements des paupières de plus en plus rares associés à une mimique appauvrie.
Perte du balancement des bras au moment de la marche qui s'effectue à petits pas.
Hypertonie des membres qui donne au patient une attitude fléchie, penchée en avant.
Difficultés dans l'exécution des mouvements alternatifs rapides
Economie des gestes
Ecriture micrographique (lettres minuscules)
Paroles exprimées sur le même ton
Tremblements de la langue et du visage
Ophtalmoparésie (paralysie légère consistant en une diminution des possibilités de contraction des muscles
du globe oculaire).
Number of common features characterized human neurodegenerative diseases:
-Late–onset and progressive neurodegeneration
-Dysfunction and loss of specific neurons in the brain
-Formation of abnormal protein aggregates
intranuclear inclusions : Huntington’s disease and related polyglutamine
disorders
cytoplasmic inclusions : neurofibrillary tangle of Alzheimer’s disease ,
Lewy body of Parkinson’s disease.
extracellular : amyloid plaque of Alzheimer’s disease
At least nine human neurodegenerative diseases known as polyglutamine (polyQ) diseases
has been defined as CAG repeat expansion within the ORF of the respective genes
HD
DRPLA
SCA
SBMA
Huntington’s Disease
Dentatobulbar Muscular Atrophy
Spinocerebellar Ataxia (also known as MJD : Machado Joseph Disease),
Spinobulbar Muscular (also known as Kennedy disease)
SCA 17 .
Study of the molecular and cellular mechanisms underlying
the disease in transgenic animals
Why the fly?
- Short life span of 60-80 days, large number of progeny
- Small/ simple (non-redundant) genome
- High conservation of fundamental biological pathways
- 75% of human disease genes have a Drosophila ortholog
- Many tools to manipulate gene expression
Easy forward and reverse genetic approaches
Large scale pharmacological screens possible
Fly nervous system:
- Anatomy and development of drosphila nervous system characterized
- Tools to identify specific neuron subtype available
- Measurement of Neuronal function and survival , learning , memory
SCA3 /MDJ3 ATAXIN 3 (histone binding protein , ubiquitin protease domain)
Truncated forms with normal or expansion of polyQ (Q27 and Q78) of the human
protein mis-expressed using the UAS –GAL4 system
UAS-MJDtr-Q27 (Contrôle) et UAS-MJDtr-Q78
UAS
Hsp 70
Hemagglutinin (HA) tag
12 aa
(CAG n)
43 aa
COOH terminal fragment of Ataxin 3
(Loss of integrity nervous system)
Scanning electron photomicrograph
The Drosophila compound eye is a complex neural
tissue with precise cellular architecture. The adult
eye is composed of 800 reiterated subunits called
ommatidia.
Tangential section
8 photoreceptors and 8 non-neural support cells arranged in an invariant pattern.
R1 Photoreceptor cell
R1 Photoreceptor cell
rhabdomere (light-sensing
organelle, contain rhodopsin)
The morphogenetic furrow (mf) marks the passage of a wave of cellular differentiation
anterior
mf
posterior
Third instar eye-antennal imaginal disc, labeled with an antibody which
recognizes all the photoreceptor neurons (R1-R8)
Cellular differentiation initiates during the middle of the
third larval instar stage at the posterior edge of the eye
disc and sweeps across in an anterior direction, taking
approximately 2 days to traverse the entire field
antenna
eye
Gradient of photoreceptor recruitment and differentiation
FIG 1 Expanded polyglutamine protein causes adult eye degeneration
Neurones du système nerveux central
et périphérique durant tout le développement
Elav-GAL4 UAS-Q78 (M)/+
1 day old
4 day old
Elav-GAL4 UAS-Q27/+
4 day old
Progressive Loss of photoreceptor morphology
1 day old
7day old
7 day old
Progressive Pigment degeneration
Toutes les cellules de l’œil en cours de développement
( cellules photoreceptrices et cellules pigmentaires)
gmr-GAL4 UAS-Q78 (W)/+
gmr-GAL4 UAS-Q27/+
GMR-GAL4
UAS-Q27
UAS-Q78
Weak
Moderate
Strong
GMR-GAL4
Age: 1 jour
all cells in the developping eye
Pigmentation
Structure
externe
Section Frontale Cerveau
Dégenerescence cellulaire niveau rétine (r)
Eye and brain morphology of flies expressing MDJtrQ78 suggest a late stage loss of photoreceptor integrity
Immunofluorescence sur disque imaginal oeil
Protéines MJDtr révélées grâce à l’anticorps anti HA
UAS-Q78
GMR-GAL4
UAS-Q27
MJDtr Q27cytoplasmique
Weak
Moderate
Strong
MJDtr Q78 inclusions nucléaires
Différenciation séquentielle des omatidies postérieurement au sillon morphogénétique
anti HA
Chromatine
GMR-GAL4
UAS Q27
GMR-GAL4
UAS Q78 (S)
anti HA; Membrane nucléaire
anti HA ; Chromatine
Figure 4: NI formation in various Imaginal tissues
dpp-GAL4/ UAS-Q78(S)
dpp-GAL4/ UAS-Q27
Anti HA
Chromatin
dpp-GAL4/ UAS-Q78(S)
NI formation but no phenotype >> NI not sufficient to cause degeneration in vivo
GMR GAL4
GAL 4
Eye specific
UAS 20Q
UAS 127 Q
UAS
Hsp 70
hemagglutin (HA)- tag
20 ou 127 CAGs
UAS
Hsp 70
20 ou 127 CAGs
Gal4
Target P element:
EP
HA tag
HA tag
chromatine
NI
TPR2 interact with the GTPase–activating protein-related domain (GRD) of Neurofibromin
(NF1 gene product)
The NF1 GRD accelerates intrinsic activity of Ras-GTPase, resulting an active Ras-GTP to be
converted into an inactive GDP form
Hypothesis :
dTRP2 interaction with the drosophila homolog of NF1 (dNF1)
increase Ras-GTP activity
>>inhibit the proapoptotichead involution defective (HID) protein
enhance the survival of eye cells.
dTPR2 and dHdJ1 (HSP40/HdJ1) contain J domain (stimulates ATPase activity
of HSP70)
Molecular chaperone may play a role in disease progression
Nuclear Inclusion immunostain for ubiquitin. May contain misfolded or abnormally
folded protein potentially targeted for proteasomal degradation.
Nuclear Inclusion immunostain for HSP70.
Supression of toxicity :
restauration external and internal eye structure by overexpression in MdJDtr-Q78 (A) of :
-HSP70 (B)
-dHdJ1 (C)
-HSP70 + dHdJ1(D)
Bonini (2002) PNAS 99: 16407–16411
In supressed flies:
NI still present and morphology/number/size unchanged
Pathogenic protein is SDS-soluble and detected as a monomeric protein by Western
immunoblot
Hypothesis:
- chaperones are modulating the structure of the protein, and this is not visible in the
large aggregates
- chaperones, by interacting with the disease protein, prevent abnormal interactions with
other proteins in the cell that are causal in toxicity
- pathogenic disease proteins may cause a slow cellular depletion of chaperone activity
leading to the failure of many cellular processes.
GMR -GAL4
-
+
+