Neuronal ceroid lipofuscinoses (NCLs) are a family of inherited pediatric neurodegenerative disorders, leading to retinal degeneration, death of selective neuronal populations and accumulation of autofluorscent ceroid-lipopigments. The clinical manifestations are generally similar in all forms. The Finnish variant late infantile neuronal ceroid lipofuscinosis (vLINCLFin) is a form of NCL, especially enriched in the Finnish population. The aim of this thesis was to analyse the brain pathology of vLINCLFin utilising the novel Cln5-/- mouse model.
Gene expression profiling of the brains of already symptomatic Cln5-/- mice revealed that inflammation, neurodegeneration and defects in myelinization are the major characteristics of the later stages of the disease. Histological characterization of the brain pathology confirmed that the thalamocortical system is affected in Cln5-/- mice, similarly to the other NCL mouse models. However, whereas the brain pathology in all other analyzed NCL mice initiate in the thalamus and spread only months later to the cortex, we observed that the sequence of events is uniquely reversed in Cln5-/- mice; beginning in the cortex and spreading to the thalamus only months later. We could also show that even though neurodegeneration is inititated in the cortex, reactive gliosis and loss of myelin are evident in specific nuclei of the thalamus already in the 1 month old brain. To obtain a deeper insight into the disturbed metabolic pathways, we performed gene expression profiling of presymptomatic mouse brains. We validated these findings with immunohistological analyses, and could show that cytoskeleton and myelin were affected in Cln5-/- mice. Comparison of gene expression profiling results of Cln5-/- and Cln1-/- mice, further highlighted that these two NCL models share a common defective pathway, leading to disturbances in the neuronal growth cone and cytoskeleton. Encouraged by the evidence of this defected pathway, we analyzed the molecular interactions of NCL-proteins and observed that Cln5 and Cln1/Ppt1 proteins interact with each other. Furthermore, we demonstrated that Cln5 and Cln1/Ppt1 share an interaction partner, the F1-ATP synthase, potentially linking both vLINCLFIN and INCL diseases to disturbed lipid metabolism. In addition, Cln5 was shown to interact with other NCL proteins; Cln2, Cln3, Cln6 and Cln8, implicating a central role for Cln5 in the NCL pathophysiology.
This study is the first to describe the brain pathology and gene expression changes in the Cln5-/- mouse. Together the findings presented in this thesis represent novel information of the disease processes and the molecular mechanisms behind vLINCLFin and have highlighted that vLINCLFin forms a very important model to analyze the pathophysiology of NCL diseases.Neuronaaliset seroidilipofuskinoosit eli NCL-taudit ovat erityisesti lapsiin kohdistuvia hermorappeumatauteja ns. lasten dementioita , jotka johtavat älylliseen jälkeenjääneisyyteen, sokeuteen, motoristen toimintojen heikkenemiseen, epilepsiaan ja ennenaikaiseen kuolemaan. Myöhäisen lapsuusiän NCL-tauti (vLINCLFin, CLN5) on suomalaisväestössä esiintyvä harvinainen NCL-tautiryhmään kuuluva tauti. Tässä väitöskirjatyössä selvitettiin vLINCLFin-tautiin liittyvän hermosolukuoleman molekyyli- ja solutason mekanismeja , kehittämämme poistogeenisen hiirimallin avulla.
Poistogeenisten Cln5-/- hiirten eri aivoalueiden kudosvärjäyksissä ja solulaskuissa ilmeni, samoin kuin muissa NCL-hiirimalleissa, että taudin ensimmäiset muutokset ilmenevät aivojen kortikotalamisissa osissa. Löydös poikkeaa kuitenkin muista NCL hiirimalleista siten, että Cln5-/- hiiressä muutokset alkavat aivokuorelta ja leviävät sieltä taudin edetessä talamukseen, kun taas muissa NCL-malleissa taudin kulku on päinvastainen.
Poistogeenisen hiirimallin aivoista tutkitiin lisäksi geenien ilmentymistä geenisiru-menetelmällä, solutason aineenvaihduntareittien muutosten löytämiseksi. Havaitsimme että taudin loppuvaiheessa geenien ilmentymisen muutokset liittyivät aivojen tulehdusreaktioon, hermosolukuolemaan ja myelinisaatioon. Taudin alkuvaiheen löydökset puolestaan osoittivat muutoksia solun tukirangassa sekä hermosolujen myelinisaatiossa. Verrattaessa tuloksia toiseen NCL-tautiryhmän hiirimalliin (INCL) huomattiin, että vLINCLFin ja INCL -tautien taustalla vaikuttavat Cln5 ja Cln1/Ppt1 proteiinit saattavat toimia samoissa solun aineenvaihduntareiteissä. Molempien proteiinien puutos aiheuttaa samankaltaisia muutoksia, jotka liittyvät hermosolun migraation (vaellukseen). Osoitimme myös että Cln5 -proteiinilla on vuorovaikutuksia sekä Cln1/Ppt1 proteiinin että usean muun NCL-proteiinin kanssa.. Tämä viittaa siihen että eri NCL-tautien välillä on solutason yhteyksiä jotka tuovat tärkeää tietoa esimerkiksi eri hoitomuotoja kehitellessä.
Tämä väitöskirja tuo uutta tietoa Cln5 -/- hiiren aivopatologiasta. Tulokset valaisevat vLINCLFin -taudin kulkua, aivojen molekyylitasolla ja tutkimus korostaa hiirimallien tärkeyttä eri NCL-tautien syiden selvittämisessä
