New genetic mouse models for neurodegenerative diseases: Contribution of noradrenaline to Alzheimer’s disease pathogenesis and creation of a new genetic model for Parkinson’s disease.

Neurodegenerative Erkrankungen gehören zu den Krankheiten mit den schwerwiegendsten Folgen, für die es bis heute keine Heilung gibt. Mit zunehmendem Alter steigt das Risiko für die Erkrankung. Ein Merkmal, das allen diesen Krankheiten gemeinsam ist, ist die Ablagerung toxischer Proteine. Alzheimer ist gekennzeichnet durch extrazelluläre Ablagerungen von sogenannten Aß-Peptiden, während intraneuronale α-Synuclein Ablagerungen (Lewy-Körperchen) symptomatisch für Parkinson sind. Diese Arbeit nutzt genetische Methoden, um offene Fragen über diese Krankheiten zu beantworten, die durch bisherige genetische Modelle nicht geklärt werden konnten. Aß-Peptide zählen zu den wichtigsten Merkmalen der Alzheimer-Krankheit. Den kognitiven Beeinträchtigungen geht ein symptomfreies Stadium voraus. Die Degeneration des Locus coeruleus (LC) ist ein frühes Merkmal von Alzheimer. LC-Degeneration findet bevorzugt in rostralen Regionen dieses Nukleus statt, die zum Cortex und zum Hippocampus projizieren. Dieselben Regionen sind in Alzheimer-Patienten als erstes betroffen und spielen eine wichtige Rolle für Lernen und Gedächtnis. Der LC projiziert zu allen Regionen des Gehirns und stellt die einzige Noradrenalin-Quelle für den Cortex, das limbische System und das Cerebellum dar. Der LC hat umfassende Aufgaben: Er spielt zum Beispiel eine Rolle für die Aufmerksamkeit, die Alarmbereitschaft und die sensorische Verarbeitung. Außerdem wurde eine Funktion des LC für kognitive Funktionen wie synaptische Plastizität, Gedächtnis und Steuerung von Handlungen gezeigt. Obwohl es viele genetische Mausmodelle für Alzheimer gibt, wird der frühe Verlust von LC-Neuronen in diesen bisher nicht widergespiegelt. Wie der Abbau des LCs zu der Entstehung von Alzheimer beiträgt, bleibt somit unbekannt. Bisher wurde dieser Frage entweder durch chirurgische Entfernung der LC-Zellen oder mittels chemischer Entfernung durch das Neurotoxin N-(2-Chloroethyl)-N-ethyl-2-bromobenzylamine (DSP-4) nachgegangen. Diese Methoden sind sowohl invasiv als auch unspezifisch; zudem können sie kompensatorische Antworten auf den Eingriff hervorrufen. Daher haben wir einen genetischen Ansatz entwickelt, der besser für die Untersuchung der Folgen von LC-Verlust während der Alzheimer Entstehung geeignet ist. Dafür wurden Ear2-mutante Mäuse, die durch einen Verlust von LC-Neuronen gekennzeichnet sind, mit einem doppelt-transgenen Mausmodell für Alzheimer (APP/PS1) gekreuzt. In Ear2-Mäusen konnte eine 56%ige Reduktion der Zahl der LC-Zellen beobachtet werden, unabhängig von der Anwesenheit der Alzheimer-Transgene (APP/PS1). Im Alter von 6 Monaten hatte der Verlust von Noradrenalin noch keine Auswirkungen auf die Menge an Aß-Peptiden, aber der Noradrenalinspiegel korrelierte mit der Stärke der Innervation durch den LC. Die Transgene APP/PS1 hatten keinen Effekt auf den Noradrenalinspiegel. Die Reduktion des Noradrenalinspiegels in jungen Mäusen war am stärksten in den Arealen, die vom LC innerviert werden. Im olfaktorischen Bulbus, Frontalkortex und Hippocampus konnte eine 65%ige, 53%ige beziehungsweise 70%ige Reduktion von Noradrenalin beobachtet werden. Im Cerebellum, das weniger stark vom LC innerviert ist, konnte nur eine 32%ige Reduktion gemessen werden. Wie oben bereits erwähnt, sind die am stärksten betroffenen Regionen wichtig für Lernen und das Gedächtnis und in Alzheimer-Patienten stark beeinträchtigt. Sowohl Ear2- als auch APP/PS1-mutante Mäuse zeigten Defizite im räumlichem Lernen und der Langzeitpotenzierung (LTP). In Mäusen, in denen beide Mutationen kombiniert wurden, waren die Lern- und LTP-Defizite stärker als in den Einzelmutanten. Durch Paired-Pulse Facilitation (PPF) konnte gezeigt werden, dass die Kurzzeit-Plastizität nicht beeinträchtigt ist. Zudem war das Verhältnis der PPF vor und nach LTP Induktion unverändert, was darauf hindeutet, dass präsynaptische Terminals nicht beeinträchtigt waren. Es ist wichtig hervorzuheben, dass die kognitiven Defizite in Ear2-Mutanten tatsächlich durch den Verlust von Noradrenalin verursacht wurden, da die Behandlung mit dem Noradrenalin-Agonist L-Threo-DOPS die kognitiven Fähigkeiten der Mutanten wiederherstellen konnte. Zusammengenommen spricht sowohl die Potenzierung der kognitiven Defizite in Alzheimer-Mutanten durch zusätzliche Degeneration des LC als auch die Tatsache, dass die kognitiven Fähigkeiten zumindest teilweise durch die Gabe von Noradrenalin wiederhergestellt werden konnten, dafür, dass Noradrenalin eine wichtige Rolle in der Entstehung von Alzheimer spielt. Die Anzahl der LC-Neurone wurde weder durch Alter noch durch chronischen Noradrenalinmangel beeinflusst. In älteren Mäusen konnte im olfaktorischen Bulbus, Frontalkortex, Hippocampus und Cerebellum eine 76%ige, 60%ige, 75%ige beziehungsweise 51%ige Reduktion von Noradrenalin beobachtet werden. Die verstärkte Reduktion von Noradrenalin im Vergleich zu jüngeren, 3 Monate alten Mäusen, weist darauf hin, dass chronischer Noradrenalinmangel mit zunehmendem Alter verstärkt wird. Beim Vergleich des Noradrenalinspiegels von 1 Jahr und 3 Monate alten Mäusen konnte in Wildtyp-Mäusen keine Veränderung festgestellt werden, wohingegen Ear2-Mutanten und APP/PS1-Mäuse im Alter eine Noradrenalinreduktion von 25% zeigten. Mäuse, in denen beide Mutationen kombiniert wurden, verloren doppelt so viel Noradrenalin mit zunehmendem Alter als die Einzelmutanten. Daraus kann geschlossen werden, dass in Wildtyp-Mäusen das Alter den Noradrenalinspiegel nicht beeinflusst, während sowohl die chronische Überexpression von APP/PS1 als auch die chronische Reduktion des Noradrenalinspiegels das noradrenerge System dereguliert. Diese Deregulierung des noradrenergen Systems bei der Alzheimer-Erkrankung spiegelt die frühen Stadien dieser Krankheit im Menschen wider. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass dieses neue Mausmodell die folgenden Merkmale vereint: Verlust von LC-Neuronen, verminderter Noradrenalinspiegel, stärkere kognitive Defizite als in bisherigen Alzheimer-Modellen und einen Alzheimer-Phänotyp, der sich mit zunehmendem Alter verstärkt. Diese Merkmale machen dieses neue Mausmodell zu einem idealen Modell, um die frühen Stadien der Alzheimer-Entstehung und den Krankheitsverlauf zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass Noradrenalin eine wichtige Rolle in der Entstehung von Alzheimer spielt. Noradrenalin stellt daher einen vielversprechenden therapeutischen Angriffspunkt dar, um die frühen kognitiven Defizite im Verlauf der Alzheimer-Erkrankung zu vermindern. Morbus Parkinson ist charakterisiert durch die Anhäufung von Lewy-Körperchen in Neuronen des dopaminergen Systems im Gehirn. Der Hauptbestandteil dieser Lewy-Körperchen ist α-Synuclein (SNCA). Sowohl in genetischen Parkinson-Modellen als auch in Patienten mit Duplikationen und Triplikationen des SNCA-Gens konnte gezeigt werden, dass Parkinson von der SNCA-Gen-Dosis abhängig ist. Bisherige genetische Parkinson-Modelle basieren vor allem auf SNCA-Überexpressionsstudien. Diese Modelle spiegeln aber nicht alle Parkinson-Merkmale wider, zum Beispiel wird der Verlust von Neuronen nicht in allen Modellen beobachtet. Strukturbiologische und in vivo Studien konnten zeigen, dass eine bestimmte Mutation im SNCA-Gen, die durch drei Substitutionen zu Prolinen (TP-SNCA) charakterisiert ist, zu reduzierter Bildung von Fibrillen und gleichzeitig zu mehr löslichen Oligomeren führt, was höhere Toxizität hervorruft. Dieser Teil der Arbeit hatte zum Ziel ein neues genetisches Mausmodell für Parkinson zu etablieren, mit dem die Toxizität der TP-SNCA Mutation in der Maus getestet werden kann. Diese Arbeit beschreibt die Klonierungsstrategie, die genutzt wurde, um den Targetingvektor für ein neues konditionelles Knock-in/Knock-out Mausmodell herzustellen. Die Idee ist, das humane Wildtyp-SNCA-Gen konditionell unter der Kontrolle des endogenen murinen SNCA-Lokus zu exprimieren. Nach Verpaarung mit der DAT-Cre-Linie werden die Nachkommen die TP-SNCA-Mutation nur in dopaminergen Neuronen exprimieren. Es ist wichtig hervorzuheben, dass dieses Modell nicht auf Überexpression des SNCA-Gens basiert. Endogene Expressionslevel des humanen Wildtyp-SNCA-Gens werden sichergestellt, indem das Start-Codon des murinen SNCA-Gens durch das Transgen ersetzt wird. Zusätzlich ist die Expression des mutanten SNCA-Gens räumlich und zeitlich regulierbar. Indem die Expression des mutanten SNCA-Gens auf dopaminerge Neuronen beschränkt wird, wird die Spezifität des Systems enorm erhöht. Bisher konnten zwei positive ES-Zell-Klone identifiziert werden; diese werden jetzt in Blastozysten injiziert. Durch die sowohl räumlich und zeitlich als auch über die Dosis regulierbare Expression der SNCA-Mutation ist dieses neue Mausmodell sehr gut geeignet um die Toxizität der TP-SNCA Mutation zu untersuchen. Außerdem kann dieses Modell genutzt werden, um das mutante SNCA-Gen auch in anderen Zellpopulationen zu exprimieren, was weiteren Aufschluss über Toxizität dieser Mutation und deren Rolle in der Entstehung von Parkinson geben wird.Neurodegenerative diseases are among the most devastating diseases for which there are no cure to date. The greatest risk factor is advancing age. A common feature of these disorders is the toxic aggregation of a peptide particle. In Alzheimer’s, extracellular Aβ plaques are the pathological hallmark, while in Parkinson’s (PD), intraneuronal α synuclein inclusion bodies (Lewy bodies) mark pathology. This study will focus on the genetic approach to address open questions in these diseases which current genetic models have been unable to do. Although Aβ plaques are the hallmark of AD, the first asymptomatic stage precedes cognitive impairment by many years. Degeneration of the locus coeruleus (LC) is an early feature of AD. LC degeneration is preferential to rostral regions, which project to the cortex and hippocampus. These regions are also first affected in AD and are important for memory and learning. The LC nucleus has ubiquitous projections reaching all areas of the brain and providing the sole noradrenergic innervations to the cerebral, limbic and cerebellar cortices. LC has global functions. It is involved in general arousal, attention, vigilance and sensory processing, among others. The LC has also been implicated in cognitive functions such as synaptic plasticity, memory, adaptive gain and optimal task performance. Although many genetic AD mouse models exist, early LC cell loss is not recapitulated in these models. The exact contribution of LC loss to AD has remained elusive. Previous attempts to address this question, relied on either physical disruption of LC cells – through surgical intervention –, or the used of the neurotoxin N-(2-chloroethyl)-N-ethyl-2-bromobenzylamine (DSP-4) to chemically ablate LC cells. These procedures are invasive and unspecific. They can elicit compensatory responses to treatment and acute injury. We found a genetic approach to be more suitable to address the functional consequences of LC loss in AD pathogenesis and disease progression. To that end we crossed LC-deficient Ear2 (-/-) mice to double transgenic APP/PS1 mice, a model for AD. We observed a 56% reduction in the number of Th(+) LC cells in Ear2 (-/-) mice, whether or not APP/PS1 were present. By 6 months of age, extent of plaque deposition seemed not affected by NA deficiency. Noradrenaline (NA) levels correlated with the degree of LC innervation and APP/PS1 had no effect on NA levels. NA reduction in Ear2 (-/-) young mice was greatest in areas highly innervated by the LC. Olfactory bulb, frontal cortex and hippocampus lost 65, 53 and 70% NA, respectively. Cerebellum, with less LC input, lost 32%. APP/PS1 had no effect on NA levels. Regions most affected are important for memory and learning and affected in AD. The Morris water maze and electrophysiological recordings revealed a spatial learning and LTP impairment in both, Ear2 (-/-) as well as in APP/PS1 mice; but, the combination of these was most detrimental. LTP impairment was not associated to a short-term plasticity deficit and paired-pulse facilitation (PPF) was unaffected by NA reduction. Furthermore, the ratio of PPF remained unchanged before and after LTP, suggesting presynaptic terminals to be unaffected. Most importantly, cognitive impairments of Ear2 (-/-) were controlled by LC NA and treatment with the NA-agonist L-Threo DOPS restored cognitive functions. Under an AD-like background, the most detrimental cognitive impairment by NA deficiency and the partial restoration of cognitive function by supplementation of NA, argued for NA as a modifier of AD pathology. LC size was not affected by age or the chronic long-term deficiency of NA. NA reduction in aged Ear2 (-/-) mice was 76, 60, 75 and 51% in the olfactory bulb, frontal cortex, hippocampus and cerebellum, respectively. These represented higher losses that those seen at 3 months of age, indicating that chronic NA deficiency was accentuated with age. Comparing NA content of aged (1 year) vs. young (3 mo) mice revealed no NA loss in wt mice, an approx. 25% NA decrease in Ear2 (-/-) or APP/PS1 mice, and a NA reduction almost twice as large in the Ear2 (-/-)/APP/PS1. We concluded that in our wt mice there was no aging effect to NA levels in the brain. Long-term overexpression of APP/PS1 or long-term chronic NA deficiency seemed to deregulate the NAergic system. More importantly, the long-term chronic NA deficiency in a diseased environment is most detrimental to NAergic deregulation, which resembles early stages of AD. In conclusion, our model mimicked all features we have aimed to recapitulate. Specifically, we confirmed in our model at pre-plaque stages LC cell loss, decreased levels of NA, higher cognitive impairments and an AD-like phenotype that was reinforced with age. This features made our model a more suitable one to study early stages of AD pathogenesis and disease progression. In doing so, we found NA to be a disease modifying factor of AD-like pathology and we propose it to be a promising therapeutic to partially alleviate early cognitive functions in MCI or early AD. In PD, α-synuclein (SNCA) is the main component of Lewy bodies aggregating in neurons of the dopaminergic (DAergic) system in the brain. Existing models of PD and patients with duplications or triplications of SNCA have shown that PD is gene-dosage dependent. Current genetic SNCA models of PD are mostly based on overexpression. These models do not recapitulate all features of PD. For example, cell loss is not always achieved. Structural biology work and in-vivo testing has shown a mutant SNCA carrying three substitutions to a proline (TP-SNCA) to have reduced fibril formation, increased amounts of soluble oligomers and higher toxicity. Our aim was to generate a novel genetic model of PD to test the toxic properties of TP-SNCA in the mouse. Here we describe the cloning strategy used to generate the targeting vector of a new knock-in / knock-out, conditional mouse model that we termed SNCA to P3. These mice are engineered to express wt human SNCA in the endogenous mouse Snca locus in a conditional manner. Their progeny will switch to express TP-SNCA exclusively in the DAergic neurons, upon their mating to the DATcre line. Importantly, our model is not based on overexpression. By targeting the start codon of the murine gene, we disrupt its expression and utilize its endogenous promoter. This will ensure endogenous levels of expression of wt Human SNCA. Our model has spatio-temporal regulated expression of the mutant SNCA. This provides an additional level of specificity because expression of the toxic TP-SNCA will be directed and restricted to DAergic cells. So far, 2 positive ES cell clones have been identified and blastocyst injection will follow. The spatio-temporal and dosage-regulated expression makes our model a suitable one to study the toxic properties of TP-SNCA. Additionally, the full value of our model relies on its potential to target different cell populations to be able to investigate the contribution to PD pathology of TP-SNCA’s toxic expression

A linear filter to reconstruct the ISW effect from CMB and LSS observations

The extraction of a signal from some observational data sets that contain different contaminant emissions, often at a greater level than the signal itself, is a common problem in Astrophysics and Cosmology. The signal can be recovered, for instance, using a simple Wiener filter. However, in certain cases, additional information may also be available, such as a second observation which correlates to a certain level with the sought signal. In order to improve the quality of the reconstruction, it would be useful to include as well this additional information. Under these circumstances, we have constructed a linear filter, the linear covariance-based filter, that extracts the signal from the data but takes also into account the correlation with the second observation. To illustrate the performance of the method, we present a simple application to reconstruct the so-called Integrated Sachs-Wolfe effect from simulated observations of the Cosmic Microwave Background and of catalogues of galaxies.Comment: 8 pages, 6 figures, accepted for publication in the IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processin

Minimal mechanisms for vegetation patterns in semiarid regions

The minimal ecological requirements for formation of regular vegetation patterns in semiarid systems have been recently questioned. Against the general belief that a combination of facilitative and competitive interactions is necessary, recent theoretical studies suggest that, under broad conditions, nonlocal competition among plants alone may induce patterns. In this paper, we review results along this line, presenting a series of models that yield spatial patterns when finite-range competition is the only driving force. A preliminary derivation of this type of model from a more detailed one that considers water-biomass dynamics is also presented. Keywords: Vegetation patterns, nonlocal interactionsComment: 8 pages, 4 figure

Global Chassis Control System Using Suspension, Steering, and Braking Subsystems

A novel Global Chassis Control (GCC) system based on a multilayer architecture with three levels: top: decision layer, middle: control layer, and bottom: system layer is presented. The main contribution of this work is the development of a data-based classification and coordination algorithm, into a single control problem. Based on a clustering technique, the decision layer classifies the current driving condition. Afterwards, heuristic rules are used to coordinate the performance of the considered vehicle subsystems (suspension, steering, and braking) using local controllers hosted in the control layer. The control allocation system uses fuzzy logic controllers. The performance of the proposed GCC system was evaluated under different standard tests. Simulation results illustrate the effectiveness of the proposed system compared to an uncontrolled vehicle and a vehicle with a noncoordinated control. The proposed system decreases by 14% the braking distance in the hard braking test with respect to the uncontrolled vehicle, the roll and yaw movements are reduced by 10% and 12%, respectively, in the Double Line Change test, and the oscillations caused by load transfer are reduced by 7% in a cornering situation

Energy conversion theorems for some linear steady-states

One of the main issues that real energy converters present, when they produce effective work, is the inevitable entropy production. Within the context of Non-equilibrium Thermodynamics, entropy production tends to energetically degrade man-made or living systems. On the other hand, it is also not useful to think about designing an energy converter that works in the so-called minimum entropy production regime since the effective power output and efficiency are zero. In this manuscript, we establish some \textit{Energy Conversion Theorems} similar to Prigogine's one with constrained forces, their purpose is to reveal trade-offs between design and the so-called operation modes for $\left(2\times2\right)$--linear isothermal energy converters. The objective functions that give rise to those thermodynamic constraints show stability. A two--meshes electric circuit was built as an example to demonstrate the Theorems' validity. Likewise, we reveal a type of energetic hierarchy for power output, efficiency and dissipation function when the circuit is tuned to any of the operating regimes studied here: maximum power output ($MPO$), maximum efficient power ($MP\eta$), maximum omega function ($M\Omega$), maximum ecological function ($MEF$), maximum efficiency ($M\eta$) and minimum dissipation function ($mdf$).Comment: 33 pages, 15 figures, 2 table