The role of Galectin-3 in the pathogenesis of Parkinson's Disease

Abstract

En 1817, James Parkinson describió por primera vez un conjunto de síntomas motores en el ensayo titulado “Shaking Palsy” (Parálisis temblorosa). Este conjunto de síntomas fue posteriormente renombrado como Enfermedad de Parkinson (EP). Durante estos dos siglos, los avances en la investigación de la EP han revelado un papel fundamental para la proteína neuronal α-sinucleína (αSyn). Esta proteína, cuyas funciones fisiológicas están aún por determinar, forma inclusiones citoplasmáticas características de la EP llamadas Cuerpos de Lewy. Junto a la aparición de estos Cuerpos de Lewy, la EP se caracteriza por la degradación específica de la substancia nigra, un área dopaminérgica del mesencéfalo cerebral involucrada en el control del movimiento. En la actualidad, las diversas hipótesis sobre la etiología de la EP no están logrando transformarse en mejores tratamientos o un diagnóstico más temprano, por ello, la búsqueda de nuevas moléculas implicadas en el origen y la progresión de la EP se revela indispensable para desarrollar nuevas estrategias terapéuticas. Recientemente se ha relacionado a la proteína Galectina-3 (Gal3) con los Cuerpos de Lewy en cerebros post-mortem. Gal3 es una proteína de unión a galactósidos sin actividad catalítica y expresada principalmente por células de la microglía, las células inmunes del sistema nervioso central, en procesos neuroinflamatorios. En la presente tesis doctoral, tratamos de describir el papel de Gal3 en la patogénesis de la EP basándonos en muestras post-mortem, in vitro e in vivo. En estudios humanos post-mortem, hemos podido asociar esta proteína al proceso de agregación que da lugar a los Cuerpos de Lewy. Los estudios in vitro nos han permitido detallar los procesos de agregación de αSyn y captación neuronal de Gal3. Por su parte, hemos desarrollado un modelo in vivo de sobreexpresión de αSyn humana durante 6 meses en ratones salvajes y carentes de Gal3 (Gal3 knockout). Nuestros resultados confirman la presencia de Gal3 en muestras post-mortem tanto de pacientes con Demencia de Cuerpos de Lewy como de EP. Como observación relevante, hemos relacionado la presencia de Gal3 preferentemente con acumulaciones menos densas de αSyn pero no con los Cuerpos de Lewy. Igualmente, hemos descrito un papel fundamental de Gal3 durante el proceso de agregación de αSyn in vitro, donde Gal3 bloquea y revierte dicho proceso de agregación. Además, hemos demostrado que las neuronas son capaces de incorporar Gal3 del medio extracelular y que esta Gal3 se une rápidamente a las acumulaciones de αSyn. Por último, nuestras observaciones in vivo corroboraron estos datos, demostrando un gran impacto de la deleción de Gal3 en el modelo animal de sobreexpresión de αSyn humana mediada por adenovirus. Los animales carentes de Gal3 desarrollaron un mayor número de agregados de αSyn, pero no mostraron neurodegeneración de la substancia nigra ni desarrollaron síntomas motores, lo que supone que la deleción de Gal3 no solo preservó la supervivencia de las neuronas dopaminérgicas sino también preservó su funcionalidad. Asimismo, hemos identificado la aparición de un fenotipo microglial basado en los marcadores TNFα, Trem2 y MerTK que podría ser específico en la EP. Este fenotipo se ve abolido en ausencia de Gal3, lo que pone de manifiesto la importancia de esta proteína en la activación microglial asociada a neurodegeneración. En definitiva, nuestro trabajo demuestra un importante papel de Gal3 en la patogénesis de la EP y en la viabilidad de las neuronas dopaminérgicas. Los datos que se muestran sugieren que Gal3 está inherentemente relacionada al proceso de agregación de αSyn, su toxicidad y al proceso neuroinflamatorio que desencadena.

In 1817, James Parkinson described a serial of motor symptoms in the essay Shaking Palsy. These symptoms were later renamed as Parkinson’s Disease (PD). In the following two centuries after the discovery of the disease, knowledge has being accumulated and pointing out a pathological role of the neuronal protein α-synuclein (αSyn). This protein can form intracytoplasmic inclusion called Lewy body along and dopaminergic degeneration of substantia nigra. Both established hallmarks of the disease. However, no hypothesis about the PD etiology has been confirmed in terms of resulting in an effective treatments that could prevent or stop the progression of the disease. For that reason, discovery of new molecules implied in PD development and progression is indispensable for new investigation strategies. Recently, the inflammatory protein Galectin-3 (Gal3) has been related to Lewy body in post-mortem studies. Gal3 is a galactosebinding protein without known catalytic activity and expressed mostly by activated microglial cells, the immune cell of the brain. No major expression has been detected in neurons in basal conditions. Role of this protein in disease development is unknown. In my thesis, we unravel the role of Gal3 in the pathogenesis of PD based on; human postmortem identification of the protein related with Lewy body aggregation process; in vitro studies of aggregation and neuronal uptake of Gal3; and in vivo model of αSyn overexpression for 6 months in wild type and Gal3-knockout mice. Our results confirmed the presence of Gal3 in post-mortem samples from Dementia of Lewy Body and PD patients. Strikingly, Gal3 accumulation was related to non-dense accumulation of αSyn rather than dense Lewy body. Indeed, neuronal Gal3 protein expression was correlated with lower αSyn staining. Our data showed a critical role for Gal3 in aggregation pattern of αSyn with a marked inhibition and disruption of aggregation process in vitro. Furthermore, we demonstrate the ability of neurons to uptake extracellular Gal3 and incorporate it to αSyn accumulations. In vivo data followed the same pattern and demonstrated a huge impact for Gal3 deletion in our model of adenovirus-mediated overexpression (AAV5) of human αSyn. Gal3 knockout mice displayed higher number of aggregates but absence of neuronal damage and lack of behavioural impairment meaning that not only surveillance of dopaminergic neurons were maintained intact but also functionality of these neurons were preserved. Our work demonstrate a role of Gal3 in PD pathogenesis and its detrimental role for dopaminergic neurons. The present data suggest that Gal3’s predominant role is inherently associated to the aggregation process of αSyn and inflammation in mediating neurotoxicity.