Generation and Characterization of BACHD Rats expressing full-length human mutant Huntingtin

Abstract

Huntington disease (HD) is an inherited progressive neurodegenerative disorder, characterized by motor, cognitive and psychiatric deficits as well as neurodegeneration and brain atrophy beginning in the striatum and the cortex and extending to other subcortical brain regions. A number of mouse models expressing full-length mutant htt (mhtt) or truncated mhtt fragments were developed for therapeutic studies and to better understand the pathogenesis of HD. However, mouse models are limited for studying certain functional and behavioural aspects of the disease, which are better mirrored in rats. Therefore, rat models have made substantial contributions to our understanding of biological function and behaviour. The major objectives of this thesis were: • To generate and characterize two HD transgenic rat lines that express fl-mhtt (BACHD rats) with different protein expression levels. • To determine whether BACHD rats recapitulate symptoms and pathological changes as seen in HD patients. • To develop a standard protocol for subsequent preclinical therapy trials in these rats. • To potentially uncover yet unknown neuropathological abnormalities in HD using these rat models. • To provide further disease-relevant insights allowing new strategies for therapeutical approaches. The findings demonstrate that BACHD transgenic rats display a robust, early-onset and progressive HD-like phenotype including motor deficits, impaired cognitive function and anxiety-related symptoms as well as metabolic changes. Neuropathologically, the distribution of neuropil aggregates and nuclear accumulations of N-terminal mutant huntingtin in BACHD rats is similar to that seen in HD patients. Neuropil aggregates in the sensorimotor circuitry may be associated with motor dysfunction and aggregates in the limbic-based circuitries could be related to anxiety changes and thus render this model suitable for the ongoing research in how these circuitries are affected in HD. In addition, dark neurons and dark axons accompanied by a brain volume reduction in advanced ages reflecting neuronal degeneration were observed in BACHD rats. BDNF transcription was down-regulated in our BACHD rats, rendering them valuable for understanding mhtt- associated transcriptional dysregulations as well as BDNF- mediated treatment of HD. An imbalance in the striosome and matrix compartments in early stages of the disease, as well as a reduction of some pre-synaptic proteins and a relative increase in the post-synaptic marker PSD-95 in BACHD rats provide new insights into disease pathogenesis and may give a new approach to the treatment of HD. Overall, the data in this thesis demonstrate robust neuropathological changes in addition to the early HD-like phenotype in BACHD rats. Therefore BACHD rats may be a valuable model for further understanding the disease mechanism and for preclinical pharmacological studies.

Chorea Huntington (CH) ist eine vererbliche neurodegenerative Erkrankung mit zunehmendem Schweregrad. CH ist als eine motorische, kognitive und psychiatrische Störung beschrieben, in welcher ausgehend vom Striatum und Cortex Neurodegeneration und Gehirnatrophie auftreten, welche sich in späteren Stadien über das ganze Gehirn ausweiten. Mehrere Mausmodelle wurden zur Analyse des Pathomechanismus und zur Entwicklung von Therapieansätzen generiert und anschließend charakterisiert. Diese Mausmodelle exprimieren entweder ein Fragment oder das vollständige Huntingtin Protein. Diese Mausmodelle sind jedoch nur unter Einschränkung zur Untersuchung von bestimmten mechanistischen oder Verhaltensaspekte geeignet, da insbesondere MRI-Messungen und kognitive Untersuchungen nur sehr schwierig umsetzbar sind. Im Gegensatz dazu eignen sich Ratten sehr gut für diese Art von Untersuchungen. Daher können Untersuchungen an Rattenmodellen einen substantiellen Beitrag zu unserem Verständnis der an der Krankheit beteiligten Pathomechanismen und Verhaltensveränderungen leisten. Die Hauptziele der vorliegenden Dissertation waren: Die Generierung und Charakterisierung von zwei transgenen CH Rattenlinien (BACHD), die unterschiedliche Expressionslevel des vollständigen, mutanten menschlichen Huntingtin besitzen. Um zu bestimmen, ob die BACHD Ratten die Symptome und pathologischen Veränderung der CH Patienten rekapitulieren. Um ein Standardprotokoll für nachfolgende präklinische Therapiestudien anhand dieses Rattenmodells zu etablieren. Um eventuelle nicht bekannte neuropathologische Abnormalitäten in CH aufzudecken. Um weitere krankheitsrelevante Einsichten zu erlangen, welche neue Strategie für therapeutische Ansätze eröffnen. Die Untersuchungssergebnisse haben gezeigt, dass die BACHD transgenen Ratten ein robustes und fortschreitendes Modell mit CH-ähnlichem Phänotyp darstellen, in welchem der Ausbruch der Krankheit bereits zu einem frühen Zeitpunkt nachweisbar ist. Als charakterisitische Veränderungen konnten motorische Defizite, verminderte kognitive Funktionen, Verhaltensänderungen insbesondere bezüglich der Ängstlichkeit und auch metabolische Veränderungen festgestellt werden. Bezüglich der neuropathologische Untersuchugen wurde eine ähnliche Verteilung der neuropilen Aggregate und die Akkumulierung von N-terminalen Huntingtin-Fragmenten im Nukleus neuronaler Zellen in BACHD Ratten ermittelt, wie sie auch in CH Patienten zu finden sind. Darüber hinaus wurden dunkle Neuronen und dunkle Axonen begleitet von einer Reduzierung des Hirnvolumens in BACHD Ratten mit fortgeschrittenem Alter beobachtet. Dadurch dass auch eine Herunterregulierung der BDNF-Transkription in BACHD Ratten gefunden wurden, eignet sich dieses Rattenmodell insbesondere auch dazu, die durch das mutante Huntingtin-vermittelte Dysregulation der Genexpression zu untersuchen und somit auch beispielsweise eine BDNF-vermittelte therapeutische Ansätze durchzuführen. Die Identifizierung eines gestörten Gleichgewichts zwischen den Strisome- und Matrix-Kompartment in frühren Stadien der CH, sowie eine Reduzierung der prä-synaptische Proteinmenge und ein Anstieg des post-synaptischen Markers PSD-95 in BACHD Ratten geben uns neue Erkenntnisse bezüglich der Pathogenese der Krankheit. Diese liefen weitere Behandlungsansätze. Zusammenfassend zeigen die Daten in dieser Thesis robuste neuropathologische Veränderungen und einem frühzeitig auftretendem CH-ähnlichen Phänotyp in den BACHD Ratten. Deshalb stellen die BACHD Ratten ein wertvolles Modell für das Verständnis der Krankheitsmechanismen und anschließender präklinischer pharmakologischer Studien dar.