Annonacin, a Natural Complex I Inhibitor of the Mitochondrial Respiratory Chain, causes Tau Pathology in Cultured Neurons.

Unter dem Begriff Tauopathien fasst man eine Gruppe chronisch progredienter neurodegenerativer Erkrankungen zusammen, die durch abnorme Akkumulation von hyperphosphoryliertem Tau Protein im Perykarion neuraler Zellen gekennzeichnet sind. Tau gehört zur Familie der axonalen Mikrotubuli-assoziierten Proteine. Die physiologische Funktion von Tau ist die Stabilisierung von Mikrotubuli und die Regulation axonaler Transportvorgänge. Eine neurodegenerative Tauopathie, die auf der karibischen Insel Guadeloupe endemisch ist, wurde epidemiologisch mit dem Konsum von Annonaceae-Pflanzen assoziiert. Diese enthalten Annonacin, den prototypischen Vertreter der Substanzklasse der Acetogenine, einer Gruppe von lipophilen Inhibitoren von Komplex I der Atmungskette. Vorausgehende experimentelle Arbeiten unserer Arbeitsgruppe konnten folgendes zeigen: Chronische systemische Behandlung von Ratten mit Annonacin führt zu Nervenzellverlust im Gehirn in einem Verteilungsmuster, wie es bei den Patienten auf Guadeloupe in postmortem Untersuchungen gefunden wurden. Annonacin führt durch Energie-Verarmung in Konzentrations-abhängiger Weise zu Zelltod in mesenzephalen Kulturen. Zur weiterführenden Überprüfung der Hypothese, dass Annonacin kausal an der Ätiologie der Erkrankung auf Guaedloupe beteiligt ist, untersuchten wir, ob Annonacin die Phosphorylierung und die intrazelluläre Verteilung des Tau Proteins beeinflusst. Wir fanden, dass eine 48-stündige Behandlung von primären Nervenzellen aus dem Striatum embryonaler Ratten in vitro mit Annonacin zu einer Konzentrations-abhängigen Umverteilung von Tau aus dem Axon in das Perykarion führt. Das umverteilte Tau war an mehreren Epitopen phosphoryliert, wie durch Phospho-spezifische Antikörper nachgewiesen wurde. Der primäre molekulare Wirkmechanismus von Annonacin, die Inhibition von Komplex I, hat zwei primäre intrazelluläre Konsequenzen, nämlich erstens eine Zunahme von Sauerstoffradikalen und zweitens eine Abnahme der ATP-Konzentration. Obwohl Radikal-Fänger die Annonacin-induzierten Sauerstoffradikale neutralisieren konnten, verhinderten sie nicht die Redistribution von Tau. Dies wurde aber wohl verhindert durch eine Stimulation der ATP-Produktion via anaerobe Glycolyse. Diese Beobachtungen legen nahe, dass die Annonacin-induzierte Umverteilung von phosphoryliertem Tau nicht aus oxydativem Stress, sondern aus Energie-Verarmung resultiert. Diese Interpretation wurde unterstützt durch die Beobachtung, dass andere zu Energie-Verarmung führende Neurotoxine (MPP+, 3-NP) ebenfalls zu intrazellulärer Umverteilung von phosphoryliertem Tau führten. Eine Elektronen-mikroskopische Analyse zeigte, dass Annonacin auch zu einer Akkumulation von Mitochondrien im Perykarion von kultivierten Nervenzellen führt. Ca. 30% des phosphorylierten Tau im Zytoplasma erschien Elektronen-mikroskopisch an die äußere Membran von Mitochondrien gebunden. Video-Mikroskopie von lebenden Nervenzellen zeigte, dass Annonacin rasch zu einem umfassenden retrograden Transport von Mitochondrien aus den Neuriten in das Perykarion führte. Wir schlussfolgerten, dass die Annonacin-induzierte Umverteilung von Tau und Mitochondrien funktionell verknüpft sind, da Taxol, eine Substanz, die Microtubuli stabilisiert und Tau von Mikrotubuli verdrängt, sowohl den retrograden Transport von Mitochondrien als auch die Akkumulation von phosphoryliertem Tau im Perykarion vollständige blockierte. Schließlich fanden wir, dass Annonacin infolge der Tau-Umverteilung zu einer Tau-Verarmung in den Axonen und konsekutiv zu einer ultrastrukturell darstellbaren Destabilisierung von Mikrotubuli führte. Daher scheint Annonacin zu einer Akkumulation von phosphoryliertem Tau im neuronalen Perykarion durch retrograden axonalen Transport und zu konsekutiver axonaler Schädigung zu führen. In ihrer Gesamtheit legen diese Untersuchungen nahe, dass Annonacin in der Lage ist, Veränderungen im Phosphorylierung-Zustand und in der intrazellularen Verteilung des Mikrotubuli-assoziierten Proteins Tau in einer Weise zu verändern, wie sie charakteristisch für humane Erkrankungen vom Typ der Tauopathien ist. Daher untermauern diese Ergebnisse weiter die Hypothese, dass regelmäßiger Konsum von Annonaceae Pflanzen in der Tat an der Ätiologie der Tauopathie auf Guadeloupe beteiligt sein könnte