Systematic interaction mapping reveals novel modifiers of neurodegenerative disease processes

Abstract

Neurodegenerative Erkrankungen (NDs) wie Alzheimer (AD), Parkinson (PD), und amyotrophe lateral Sklerose (ALS) sind Hirnerkrankungen, die durch unlösliche Proteinaggregate in Neuronen oder im Extrazellularraum charakterisiert sind. In dieser Arbeit habe ich für verschiede bekannte und vorhergesagte neurodegenerative Krankheitsproteine (NDPs) Proteininteraktionsnetzwerke erstellt, um mögliche gemeinsame Krankheitsmechanismen genauer zu studieren. Mit Hilfe eines automatisierten Hefe-Zwei-Hybrid-Systems (Y2H) konnte ich 18.663 Protein-Protein-Interaktionen (PPIs) für 449 wildtyp und 22 mutierte Proteine identifizieren. Eine genaue funktionelle Analyse der Interaktionspartner von korrespondierenden wildtyp und mutierten Proteinen ergab deutliche Unterschiede zum einen im Fall von allen untersuchten Proteinen und insbesondere im Fall vom ALS Krankheitsprotein TDP-43. Die identifizierten PPIs wurden außerdem verwendet um krankheitsspezifische Netzwerke zu erstellen und um Proteine zu identifizieren, die mit mehreren NDPs verbunden sind. Ich habe auf diese Weise vier Proteine (APP, IQSEC1, ZNF179 und ZMAT2) gefunden, die mit bekannten NDPs with Huntingtin, TDP-43, Parkin und Ataxin-1 interagieren und so fünf verschiedene NDs miteinander verbinden. Die Reduktion der mRNA Expression von IQSEC1, ZNF179 oder ZMAT2 mit Hilfe von siRNA führte zu einer Verstärkung von pathogenen Mechanismen wie der Aggregation von mutiertem Huntingtin und TDP-43 sowie der Hyperphosphorylierung des Proteins Tau. Außerdem habe ich 22 Proteine entdeckt, die die Aggregation von TDP-43 deutlich verändern und außerdem Mitglieder in sieben vorhergesagten Proteinkomplexen sind. Die Proteinkomplexe habe ich durch Kombination von Interaktionsdaten und Daten eines siRNA Screenings vorhergesagt. Zusätzlich habe ich herausgefunden, dass die Proteine eines vorhergesagten Komplexes, nämlich HDAC1, pRB, HP1, BRG1 und c-MYC, die Aggregation von TDP-43 durch Veränderung von dessen Genexpression beeinflussen.

Neurodegenerative diseases (NDs) such as Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD) or amyotrophic lateral sclerosis (ALS) are progressive brain disorders characterized by the accumulation of insoluble protein aggregates in neuronal cells or the extracellular space of patient brains. To elucidate potential common pathological mechanisms in different NDs, I created comprehensive interaction networks for various known and predicted neurodegenerative disease proteins (NDPs). I identified 18,663 protein-protein interactions (PPIs) for 449 bioinformatically selected wild-type target proteins and 22 mutant variants of 11 known NDPs by using an automated yeast two-hybrid (Y2H) system. The functional analysis of the interaction partners of corresponding wild-type and mutant NDPs revealed strong differences in the case of all 11 NDPs and especially for the ALS protein TDP-43. The identified PPIs were used to generate networks for individual NDs such as AD or PD and to identify proteins that are connected to multiple NDPs. For example, I found that five neurodegenerative diseases are connected by four proteins (APP, ZMAT2, ZNF179 and IQSEC1) that link known NDPs such as huntingtin, TDP-43, parkin, ataxin-1 and SOD1. Analysis of publicly available gene expression data suggested that the mRNA expression of the four proteins is abnormally altered in brains of ND patients. Moreover, the knock-down of IQSEC1, ZNF179 or ZMAT2 aggravates pathogenic disease mechanisms such as aggregation of mutant huntingtin or TDP-43 as well as hyperphosphorylation of tau. Additionally, I identified 22 modifiers of TDP-43 aggregation, which are members in 7 protein complexes. These complexes were predicted based on combined data from PPI as well as siRNA screenings. Finally, I found that the proteins HDAC1, pRB, HP1, BRG1 and c-MYC, which form one of the predicted complexes, influence TDP-43 aggregation by altering its mRNA expression.