Promotermodifikation und Gene Silencing von Neuropetidgenen in Tiermodellen und humaner Epilepsy

Etwa 1 % der Bevölkerung leidet unter Epilepsie und etwa 30 % der Patienten sprechen auf die derzeitig zur Verfügung stehenden medikamentösen Therapien nicht ausreichend an. Unabhängig von der Ursache der Epilepsie, wie traumatische Hirnverletzung, Temporallappensklerose oder genetische Faktoren, ist der Beginn und Verlauf der Medikamentenresistenz schwer vorauszusehen. Das Kosortialprojekt beschäftigt sich mit der Untersuchung gemeinsamer epigenetischer Pathomechanismen, die im Rahmen der Epileptogenese eine Rolle spielen können um damit neue medikamentöse Therapien zu finden. Untersuchungen in Epilepsietiermodellen und in chirurgisch entferntem Gewebe von Epilepsiepatienten zeigten veränderte Expression verschiedenster Gene insbesondere von Neuropeptid-Genen. Der Verlauf der erhöhten Neuropeptidexpression ist oft durch einen raschen Beginn und eine lange Dauer charakterisiert. Für einige solcher Expressionsveränderungen wurde eine endogene antikonvulsive Funktion postuliert. Die zugrunde liegenden Mechanismen, die zu solchen Veränderungen führen sind jedoch noch weitgehend unerforscht. Jüngere Untersuchungen zeigten, dass Modifizierungen am Chromatin im Bereich von Promoterregionen Schlüsselfunktionen in der Regulation der Genexpression darstellen und daher zum Teil akute wie auch chronische Veränderungen der Genaktivität im Rahmen der Epilepsie bedingen könnten. Insbesondere DNA-Methylierung und Histonmodifikationen wie Azetylierung, Methylierung und Phoshorylierung führen zu Veränderungen in der Genexpression. In diesem Projektteil werden wir derartige Mechanismen, die zu veränderter Expression der Neuropeptide Dynorphin, Neuropeptid Y und Neurokinin B führen in einem Tiermodell der Temporallappenepilepsie und in Gewebe von Patienten mit Temprallappenepilepsie untersuchen. Wir werden die Expressionsmuster epigenetisch aktiver Schlüsselenzyme, wie Histondeazetylasen und DNA-Methyltransferasen histochemisch darstellen und insbesondere Veränderungen in der DNA-Methylierung und Histonazetylierung im Bereich der Promoterregionen der Neuropeptide Dynorphin, Neuropeptid Y und Neurokinin B untersuchen. Weiters werden wir untersuchen ob eine Überexpression oder Unterdrücken der Expression dieser Enzyme durch Injektion entsprechender viraler Vektoren die Epilepsie-induzierte Überexpression der Neuropeptide und auch der epileptischen Aktivität verändern kann, ein Konzept, das schlussendlich zu neuen medikamentösen Strategien führen soll.

An dem internationalen Gemeinschaftsprojekt waren Gruppen aus Deutschland (2), Polen (1), Finnland (1) und Österreich (1) und zwei assoziierte Gruppen aus Frankreich bzw. Australien beteiligt. Der Fokus des Projekts lag in der Erforschung epigenetischer Mechanismen, die bei der Entstehung und Manifestierung von Epilepsie beteiligt sind. Epigenetische Mechanismen steuern die dynamischen Expression aller Gene bzw. Proteine. Sie inkludieren insbesondere Modifikationen von Histonen, wie Methylierung, Acetylierung oder Phosphorylierung von Histonen, sowie die veränderte Expression von Transkriptionsfaktoren oder kleiner interferierender RNA-Moleküle. Die Expression verschiedener Proteine (vermittelt durch epigenetische Mechanismen) kann durch verschiedene Lebenssituationen, aber auch durch Krankheiten wie Epilepsie verändert werden. Wir untersuchten epigenetische Veränderungen, die durch epileptische Anfälle induziert werden oder (auch) an der Manifestation chronischer Epilepsie (Epileptogenese) beteiligt sind. Die Untersuchungen erfolgten an Tiermodellen der Temporallappenepilepsie. Die verwendeten Modelle basierten auf der initialen Induktion eines Status epilpticus durch Injektion eines Krampfgiftes (z.B. Kainsäure, Pilocarpin) oder wiederholte elektrischer Stimulation. Nach Abklingen des Status epilepticus durchlaufen die Tiere eine Phase, in der sie spontane Anfälle entwickeln (Epileptogenese) und dann in chronische Epilepsie (wiederkehrende spontane Anfälle) übergeht. Unsere Gruppe fokussierte auf Veränderungen in der Expression von Histondeazetylasen (HDAC) während des akuten Staus epilepticus, der Epileptogenese und schließlich während der chronischen Epilepsie. Während Histonazetylierung die Genexpression verstärkt, wird diese durch Histondeazetylierung gehemmt. Interessanterweise vermutet man, dass das antikonvulsive Medikament Valproinsäure seine Wirkung durch Hemmung von HDACs ausübt. Mit Hilfe von in situ-Hybridisierung untersuchten wir im Hippocampus von Mäusen Veränderungen in der mRNA-Expression von elf verschiedenen HDACs während der Epileptogenese und beobachteten sowohl anatomisch als auch in ihrem Zeitverlauf spezifische Veränderungen für die individuellen HDAC-Spezies. Funktionell konnten diese Veränderungen drei verschieden Phasen der Epileptogenese zugeordnet werden: 1) Eine drastisch reduzierte mRNA-Expression von Klasse I und IV HDACs (1, 2 und 11) während des akuten Status epilepticus (der in den Mäusen zur Induktion der Epileptogenese gesetzt wird); 2) Überexpression bestimmter Klasse I und II HDACs (HDAC1, 2, 3 und 5), die möglicherweise direkt an der Epileptogenese beteiligt sind und 3) eine markante Überexpression der Klasse IIa HDACs 5 und 9, die möglicherweise an der gleichzeitig entstehenden Körnerzelldispersion (einem pathologischen Symptom auch der humanen Temporallappenepilepsie) beteiligt sein könnten. Interessanterweise haben die HDACs 5 und 9 über ihre Funktion an den Histonen hinaus auch eine deazetylierende Wirkung an bestimmten cytoplasmatischen Proteinen, welche an neuronaler Plastizität und intrazellulärer Migration beteiligt sind.Zusammenfassend, unsere Untersuchungen zeigten markante und sowohl zeitlich wie auch anatomisch spezifische Veränderungen in der Expression verschiedener Histondeazetylasen während der Epileptogenese, die auf eine Rolle in der Entstehung von Epilepsie wie auch der Körnerzelldispersion hindeuten. Eine pharmakologische Intervention auf der Ebene der Histondeazetylasen könnte mit der Manifestation von Epilepsie interferieren.