CADASIL : molecular studies on the most common hereditary vascular dementing disorder

Cerebral Autosomal Dominant Arteriopathy with Subcortical Infarcts and Leukoencephalopathy (CADASIL) is the most common hereditary vascular dementia. CADASIL is a systemic disease of small and medium-sized arteries although the symptoms are almost exclusively neurological, including migraineous headache, recurrent ischemic episodes, cognitive impairment and, finally, subcortical dementia. CADASIL is caused by over 170 different mutations in the NOTCH3 gene, which encodes a receptor expressed in adults predominantly in the vascular smooth muscle cells. The function of NOTCH3 is not crucial for embryonic development but is needed after birth. NOTCH3 directs postnatal arterial maturation and helps to maintain arterial integrity. It is involved in regulation of vascular tone and in the wound healing of a vascular injury. In addition, NOTCH3 promotes cell survival by inducing expression of anti-apoptotic proteins. NOTCH3 is a membrane-spanning protein with a large extracellular domain (N3ECD) containing 34 epidermal growth factor-like (EGF) repeats and a smaller intracellular domain with six ankyrin repeats. All CADASIL mutations are located in the EGF repeats and the majority of the mutations cause gain or loss of one cysteine residue in one of these repeats leading to an odd number of cysteine residues, which in turn leads to misfolding of N3ECD. This misfolding most likely alters the maturation, targetting, degradation and/or function of the NOTCH3 receptor. CADASIL mutations do not seem to affect the canonical NOTCH3 signalling pathway. The main pathological findings are the accumulation of the NOTCH3 extracellular domain on degenerating vascular smooth muscle cells (VSMCs), accumulation of granular osmiophilic material (GOM) in the close vicinity of VSMCs as well as fibrosis and thickening of arterial walls. Narrowing of the arterial lumen and local thrombosis cause insufficient blood flow, mainly in small arteries of the cerebral white matter, resulting in tissue damage and lacunar infarcts. CADASIL is suspected in patients with a suggestive family history and clinical picture as well as characteristic white matter alterations in magnetic resonance imaging. A definitive verification of the diagnosis can be achieved by identifying a pathogenic mutation in the NOTCH3 gene or through the detection of GOM by electron microscopy. To understand the pathology underlying CADASIL, we have generated a unique set of cultured vascular smooth muscle cell (VSMC) lines from umbilical cord, placental, systemic and cerebral arteries of CADASIL patients and controls. Analyses of these VSMCs suggest that mutated NOTCH3 is misfolded, thus causing endoplasmic reticulum stress, activation of the unfolded protein response and increased production of reactive oxygen species. In addition, mutation in NOTCH3 causes alterations in actin cytoskeletal structures and protein expression, increased branching and abnormal node formation. These changes correlate with NOTCH3 expression levels within different VSMCs lines, suggesting that the phenotypic differences of SMCs may affect the vulnerability of the VSMCs and, therefore, the pathogenic impact of mutated NOTCH3 appears to vary in the arteries of different locations. Furthermore, we identified PDGFR- as an immediate downstream target gene of NOTCH3 signalling. Activation of NOTCH induces up-regulation of the PDGFR- expression in control VSMCs, whereas this up-regulation is impaired in CADASIL VSMCs and might thus serve as an alternative molecular mechanism that contributes to CADASIL pathology. In addition, we have established the congruence between NOTCH3 mutations and electron microscopic detection of GOM with a view to constructing a strategy for CADASIL diagnostics. In cases where the genetic analysis is not available or the mutation is difficult to identify, a skin biopsy is an easy-to-perform and highly reliable diagnostic method. Importantly, it is invaluable in setting guidelines concerning how far one should proceed with the genetic analyses.CADASIL (lyhenne tulee tautia kuvaavien löydösten alkukirjaimista: Cerebral Autosomal Dominant Arteriopathy with Subcortical Infarcts and Leukoencephalopathy) on yleisin perinnöllinen verisuoniperäinen dementiaa aiheuttava sairaus. Taudin oireina esiintyy migreenityyppistä päänsärkyä, toistuvia aivohalvauksia, henkisen suorituskyvyn heikentymistä ja lopulta dementiaa. Vaikka oireet ovat lähes yksinomaan neurologisia, taudin aiheuttamia muutoksia esiintyy elimistön kaikissa pienissä ja keskisuurissa valtimoissa. CADASIL-tauti aiheutuu kehitysopillisesti tärkeän NOTCH3-geenin mutaatioista, joita on tähän mennessä löydetty yli 170 erilaista. NOTCH3-geeni koodittaa NOTCH3-reseptoria, jota aikuisella ihmisellä ilmennetään lähes yksinomaan verisuonten seinämien sileälihassoluissa. NOTCH3:n toimintaa tarvitaan syntymän jälkeisessä yksilönkehityksessä ohjaamaan kehittyvien verisuonien erilaistumista valtimoiksi ja ylläpitämään valtimoiden tyypillistä rakennetta. NOTCH3 osallistuu myös verisuonten jäntevyyden säätelyyn ja on osallisena verisuonivaurioiden korjaamisessa CADASIL-taudin on ehdotettu johtuvan mutaatioiden aiheuttamasta NOTCH3-reseptorin solunulkoisen osan väärinlaskostumisesta. NOTCH3:n mutaatioiden ei kuitenkaan ole todettu vaikuttavan NOTCH3-reseptorin klassiseen viestintäreittiin. Kudostason päälöydökset CADASIL-taudissa ovat NOTCH3-reseptorin solunulkoisen osan kertyminen rappeutuvien sileälihassolujen pinnalle, ns. granulaarisen osmiofiilisen materiaalin (GOM) kertyminen sileälihassolujen läheisyyteen sekä pienten valtimoiden seinämien paksuuntuminen sidekudoksen kertymisen vuoksi. Valtimoiden sisätilan ahtautuminen ja paikalliset verihyytymät heikentävät aivojen verenkiertoa, pääasiassa pienissä valtimoissa aivojen valkean aineen alueella, ja johtavat paikallisiin kudoskuolioihin. CADASIL-tauti voidaan varmentaa todentamalla sairauden aiheuttava NOTCH3-mutaatio DNA näytteestä tai GOM:n kertyminen ihobiopsian elektronimikroskooppisella tutkimuksella. Väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli selvittää CADASIL-taudin kudosmuutoksiin johtavia molekyylimekanismeja ja luoda toimintasuunnitelma CADASIL-taudin diagnostiikkaan. Tutkimuksia varten eristimme sileälihassoluja napanuora- ja istukkaverisuonista sekä aivojen ja eräiden muiden elinten valtimoista, jotka olivat peräisin CADASIL-potilaista ja verrokkihenkilöistä. Solulinjojen valkuaisainetuotannon analyysistä saadut tulokset viittaavat siihen, että mutaatio NOTCH3-reseptorissa aiheuttaa sen väärinlaskostumista ja johtaa laskostumishäiriöiden korjaamiseen osallistuvien valkuaisaineiden vilkastuneeseen tuotantoon ja solustressiin, sekä. aiheuttaa muutoksia soluntukirangan valkuaisaineiden tuotannossa. Solun sisäisten rakenteiden tutkimus osoitti, että NOTCH3-reseptorin mutaatio aiheuttaa lisäksi rakenteellisia muutoksia solun tukirankaan. Nämä muutokset ovat voimakkaimpia aivojen valtimoista eristetyissä solulinjoissa ja korreloivat myös NOTCH3-reseptorin ilmentymisen voimakkuuteen. Tulokset viittaavat siihen, että sileälihassolujen ilmiasu voi olla erilainen eri elinten verisuonissa ja nämä erot voivat vaikuttaa kyseisten suonien alttiuteen NOTCH3-reseptorin mutaatioiden aiheuttamille muutoksille. Tunnistimme myös NOTCH3-reseptorin uuden kohdegeenin, PDGF-reseptori betan. Tämän reseptorin säätely on muuttunut CADASIL-solulinjoissa verrattuna verrokki-solulinjoihin ja PDGF viestintäreitti voi siten olla tärkeä CADASIL-taudin synnyssä. Selvitimme NOTCH3-mutaation ja GOM kertymän elektronimikroskooppisen todentamisen välisen yhtäpitävyyden taudin määrityksessä. Tulokset osoittivat, että molemmat menetelmät ovat herkkiä ja ihobiopsian tutkiminen GOM kertymän varmentamiseksi auttaa suunniteltaessa molekyyligeneettisen tutkimuksen laajuutta

CADASIL and CARASIL

Peer reviewe

Autophagy-lysosomal defect in human CADASIL vascular smooth muscle cells

Cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy (CADASIL) is a familial progressive degenerative disorder and is caused by mutations in NOTCH3 gene. Previous study reported that mutant NOTCH3 is more prone to form aggregates than wild-type NOTCH3 and the mutant aggregates are resistant to degradation. We hypothesized that aggregation or accumulation of NOTCH3 could be due to impaired lysosomal-autophagy machinery in VSMC. Here, we investigated the possible cause of accumulation/aggregation of NOTCH3 in CADASIL using cerebral VSMCs derived from control and CADASIL patients carrying NOTCH3(RI33C) mutation. Thioflavin-S-staining confirmed the increased accumulation of aggregated NOTCH3 in VSMCR133C compared to VSMCWT. Increased levels of the lysosomal marker, Lamp2, were detected in VSMCR133C, which also showed co-localization with NOTCH3 using double-immunohistochemistry. Increased level of LC3-II/LC3-I ratio was observed in VSMCR133C suggesting an accumulation of autophagosomes. This was coupled with the decreased co-localization of NOTCH3 with LC3, and Lamp2 and, further, increase of p62/SQSTM1 levels in VSMCR133C compared to the VSMCWT. In addition, Western blot analysis indicated phosphorylation of p-ERK, p-S6RP, and p-P70 S6K. Altogether, these results suggested a dysfunction in the autophagy-lysosomal pathway in VSMCR133C. The present study provides an interesting avenue of the research investigating the molecular mechanism of CADASIL.Peer reviewe

Proteomic Profiling in the Brain of CLN1 Disease Model Reveals Affected Functional Modules

Peer reviewe

Differences in proliferation rate between CADASIL and control vascular smooth muscle cells are related to increased TGF beta expression

Cerebral autosomal-dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy (CADASIL) is a familial fatal progressive degenerative disorder. One of the pathological hallmarks of CADASIL is a dramatic reduction of vascular smooth muscle cells (VSMCs) in cerebral arteries. Using VSMCs from the vasculature of the human umbilical cord, placenta and cerebrum of CADASIL patients, we found that CADASIL VSMCs had a lower proliferation rate compared to control VSMCs. Exposure of control VSMCs and endothelial cells (ECs) to media derived from CADASIL VSMCs lowered the proliferation rate of all cells examined. By quantitative RT-PCR analysis, we observed increased Transforming growth factor-beta (TGF beta) gene expression in CADASIL VSMCs. Adding TGF beta-neutralizing antibody restored the proliferation rate of CADASIL VSMCs. We assessed proliferation differences in the presence or absence of TGF beta-neutralizing antibody in ECs co-cultured with VSMCs. ECs co-cultured with CADASIL VSMCs exhibited a lower proliferation rate than those co-cultured with control VSMCs, and neutralization of TGF beta normalized the proliferation rate of ECs co-cultured with CADASIL VSMCs. We suggest that increased TGF beta expression in CADASIL VSMCs is involved in the reduced VSMC proliferation in CADASIL and may play a role in situ in altered proliferation of neighbouring cells in the vasculature.Peer reviewe

Differences in proliferation rate between CADASIL and control vascular smooth muscle cells are related to increased TGFβ expression

Cerebral autosomal‐dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy (CADASIL) is a familial fatal progressive degenerative disorder. One of the pathological hallmarks of CADASIL is a dramatic reduction of vascular smooth muscle cells (VSMCs) in cerebral arteries. Using VSMCs from the vasculature of the human umbilical cord, placenta and cerebrum of CADASIL patients, we found that CADASIL VSMCs had a lower proliferation rate compared to control VSMCs. Exposure of control VSMCs and endothelial cells (ECs) to media derived from CADASIL VSMCs lowered the proliferation rate of all cells examined. By quantitative RT‐PCR analysis, we observed increased Transforming growth factor‐β (TGFβ) gene expression in CADASIL VSMCs. Adding TGFβ‐neutralizing antibody restored the proliferation rate of CADASIL VSMCs. We assessed proliferation differences in the presence or absence of TGFβ‐neutralizing antibody in ECs co‐cultured with VSMCs. ECs co‐cultured with CADASIL VSMCs exhibited a lower proliferation rate than those co‐cultured with control VSMCs, and neutralization of TGFβ normalized the proliferation rate of ECs co‐cultured with CADASIL VSMCs. We suggest that increased TGFβ expression in CADASIL VSMCs is involved in the reduced VSMC proliferation in CADASIL and may play a role in situ in altered proliferation of neighbouring cells in the vasculature. </p

Congruence between NOTCH3 mutations and GOM in 131 CADASIL patients

Cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy (CADASIL) is the most common hereditary subcortical vascular dementia. It is caused by mutations in NOTCH3 gene, which encodes a large transmembrane receptor Notch3. The key pathological finding is the accumulation of granular osmiophilic material (GOM), which contains extracellular domains of Notch3, on degenerating vascular smooth muscle cells (VSMCs). GOM has been considered specifically diagnostic for CADASIL, but the reports on the sensitivity of detecting GOM in patients’ skin biopsy have been contradictory. To solve this contradiction, we performed a retrospective investigation of 131 Finnish, Swedish and French CADASIL patients, who had been adequately examined for both NOTCH3 mutation and presence of GOM. The patients were examined according to the diagnostic practice in each country. NOTCH3 mutations were assessed by restriction enzyme analysis of specific mutations or by sequence analysis. Presence of GOM was examined by electron microscopy (EM) in skin biopsies. Biopsies of 26 mutation-negative relatives from CADASIL families served as the controls. GOM was detected in all 131 mutation positive patients. Altogether our patients had 34 different pathogenic mutations which included three novel point mutations (p.Cys67Ser, p.Cys251Tyr and p.Tyr1069Cys) and a novel duplication (p.Glu434_Leu436dup). The detection of GOM by EM in skin biopsies was a highly reliable diagnostic method: in this cohort the congruence between NOTCH3 mutations and presence of GOM was 100%. However, due to the retrospective nature of this study, exact figure for sensitivity cannot be determined, but it would require a prospective study to exclude possible selection bias. The identification of a pathogenic NOTCH3 mutation is an indisputable evidence for CADASIL, but demonstration of GOM provides a cost-effective guide for estimating how far one should proceed with the extensive search for a new or an uncommon mutations among the presently known over 170 different NOTCH3 gene defects. The diagnostic skin biopsy should include the border zone between deep dermis and upper subcutis, where small arterial vessels of correct size are located. Detection of GOM requires technically adequate biopsies and distinction of true GOM from fallacious deposits. If GOM is not found in the first vessel or biopsy, other vessels or additional biopsies should be examined

Lentopalloilijoiden yleisimmät polvivammat ja niiden ennaltaehkäisy - opas Suomen lentopalloliiton nuorten maajoukkuevalmentajille

Lentopallo on maailmanlaajuisesti suosittu laji ja Suomessakin harrastajia on noin 118 00 joista rekisteröityjä pelaajia 11 500. Lentopallo vaatii alaraajoilta paljon räjähtävää voimaa ja hyvää neuromuskulaarista kontrollia, sillä lajissa tulee paljon hyppyjä ja nopeita suunnanmuutoksia. Polvivammat ovat melko yleisiä lentopallossa. Polvivammoja ennaltaehkäisevässä harjoittelussa tavoitteena on valmistaa urheilijan keho tilanteisiin ja suorituksiin, joissa loukkaantumisen riski on suurentunut. Lentopallossa polvivammat syntyvät yleensä ilman kontaktia, tilanteissa joissa vaaditaan nopeita sunnanmuutoksia tai hypystä alas tullessa. Lajissa rasitusvammat ovat yhtä yleisiä kuin akuutit vammat. Lentopalloilijoiden yleisimmät polvivammat ovat eturistisidevamma, kierukkavamma ja hyppääjän polvi. Yhteistyökumppanina työssä toimi Suomen lentopalloliiton Kuortaneen urheiluopiston nuorten maajoukkuevalmentajat. Kuortaneen urheiluopiston lentopallonuoret harjoittelevat viikonlopun pelien lisäksi kahdeksan kertaa viikossa ja joillakin nuorilla harjoitusmäärät voivat jopa tuplaantua verrattuna seurajoukkueeseen. Joten vammojen ennaltaehkäisy on tarpeellista, jotta nuoret voisivat harjoitella terveenä koko kauden ja kehittyä lentopalloilijana. Opinnäytetyössä perehdyttiin lentopalloilijoiden polvivammojen ennaltaehkäisyyn harjoittelun näkökulmasta. Työssä selvitettiin polvivammoille altistavat tekijät ja kuinka vammoihin voidaan vaikuttaa harjoittelun keinoin. Teorian pohjalta luotiin opinnäytetyön tuotoksena tehty opas. Oppaaseen kerättiin teoriapohja perustuen opinnäytetyössä tehtyyn kirjallisuuskatsaukseen sekä suunniteltiin polvivammoja ennaltaehkäisevät esimerkkiharjoitteet. Harjoitteissa on kolme tasoa, jotta opasta voi käyttää yksilöllisemmin. Opinnäytetyössä tuotetun oppaan tarkoituksena on vaikuttaa nuorten maajoukkuelentopalloilijoiden polvivammoihin ennaltaehkäisevästi. Tavoitteena on oppaan avulla kouluttaa valmentajia polvivammoja ennaltaehkäisevästä harjoittelusta. Oppaasta on pyritty tekemään mahdollisimman selkeä ja helppolukuinen. Opas on suunnattu erityisesti valmentajille työkaluksi päivittäiseen valmennukseen

CADASIL - monimuotoinen aivoverenkiertosairaus

English summaryPeer reviewe