Alpha-synuclein and neuromelanin interplay: unravelling its role in the pathophysiology of Parkinson’s disease

Abstract

La malaltia de Parkinson es caracteritza a nivell neuropatològic per la degeneració preferencial de les neurones que contenen neuromelanina, particularment aquelles localitzades a la substància negra, i per la presència de cossos de Lewy que contenen alfa-sinucleïna dins de les neurones afectades. A diferència dels humans, la neuromelanina no s’acumula de manera natural en la majoria d’animals, inclosos els rosegadors, fet que ha dificultat l’exploració del paper d’aquest pigment cerebral i la seva interacció amb l’alfa-sinucleïna en el procés de la malaltia. Per superar aquesta limitació, el nostre grup ha desenvolupat recentment els primers models experimentals in vivo en rosegadors que presenten una producció i acumulació de neuromelanina semblant a la humana, dependent de l’edat, dins de les neurones vulnerables a la malaltia de Parkinson. Això s’ha aconseguit mitjançant la sobreexpressió de tirosinasa, un enzim clau implicat en la melanogènesi, donant lloc a nivells de neuromelanina comparables als observats en humans d’edat avançada. En aquests models, l’acumulació intracel·lular de neuromelanina associada a l’edat comprometia la funció neuronal quan els nivells superaven un cert llindar patogènic, desencadenant característiques clau de la malaltia de Parkinson. És important destacar que aquest llindar patogènic també s’ha observat en cervells post-mortem de pacients amb malaltia de Parkinson. Actualment, es desconeixen els factors que podrien accelerar l’acumulació de neuromelanina per sobre d’aquest llindar en pacients amb Parkinson.

En aquesta tesi, hem avaluat el paper de l’increment dels nivells d’alfa-sinucleïna en la patologia associada a la neuromelanina en la malaltia de Parkinson. De manera notable, l’augment dels nivells d’alfa-sinucleïna, com es veu en pacients amb Parkinson, va accelerar l’acumulació de neuromelanina i va agreujar la patologia associada a la neuromelanina en la malaltia de Parkinson. Els estudis moleculars van revelar que la sobreexpressió d’alfa-sinucleïna promou l’acumulació de neuromelanina mitjançant: (i) la permeabilització de les vesícules sinàptiques que contenen dopamina, provocant la filtració de dopamina vesicular al citosol, on es pot oxidar en neuromelanina, i (ii) la regulació de l’expressió de tirosinasa. A més, es va investigar si l’entorn oxidatiu associat a la producció de neuromelanina pot, al seu torn, influir en la patologia i propagació de l’alfa-sinucleïna induïdes per fibril·les preformades derivades de pacients. Els nostres resultats van mostrar que la patologia i propagació de l’alfa-sinucleïna no es van veure significativament incrementades en animals productors de neuromelanina.

En conjunt, aquesta tesi proporciona noves perspectives sobre la fisiopatologia de la malaltia de Parkinson, destacant una interacció patològica complexa entre l’alfa-sinucleïna i la neuromelanina. Aquestes troballes estableixen un camí per a una comprensió més profunda dels mecanismes moleculars subjacents a la malaltia i poden oferir noves oportunitats potencials per al desenvolupament d’estratègies terapèutiques.

La enfermedad de Parkinson se caracteriza a nivel neuropatológico por la degeneración preferencial de las neuronas que contienen neuromelanina, particularmente aquellas localizadas en la sustancia negra, y por la presencia de cuerpos de Lewy que contienen alfa-sinucleína dentro de las neuronas afectadas. A diferencia de los humanos, la neuromelanina no se acumula de manera natural en la mayoría de los animales, incluidos los roedores, lo que ha dificultado la exploración del papel de este pigmento cerebral y su interacción con la alfa-sinucleína en el proceso de la enfermedad. Para superar esta limitación, nuestro grupo ha desarrollado recientemente los primeros modelos experimentales in vivo en roedores que presentan una producción y acumulación de neuromelanina similar a la humana, dependiente de la edad, dentro de las neuronas vulnerables a la enfermedad de Parkinson. Esto se logró mediante la sobreexpresión de tirosinasa, una enzima clave implicada en la melanogénesis, dando lugar a niveles de neuromelanina comparables a los observados en humanos de edad avanzada. En estos modelos, la acumulación intracelular de neuromelanina asociada a la edad comprometía la función neuronal cuando los niveles superaban un cierto umbral patogénico, desencadenando características clave de la enfermedad de Parkinson. Cabe destacar que este umbral patogénico también se ha observado en cerebros post mortem de pacientes con enfermedad de Parkinson. Actualmente, se desconocen los factores que podrían acelerar la acumulación de neuromelanina por encima de este umbral en pacientes con Parkinson.

En esta tesis, evaluamos el papel del aumento de los niveles de alfa-sinucleína en la patología asociada a la neuromelanina en la enfermedad de Parkinson. De manera notable, el incremento de los niveles de alfa-sinucleína, como se observa en pacientes con Parkinson, aceleró la acumulación de neuromelanina y agravó la patología asociada a la neuromelanina en la enfermedad de Parkinson. Los estudios moleculares revelaron que la sobreexpresión de alfa-sinucleína promueve la acumulación de neuromelanina mediante: (i) la permeabilización de las vesículas sinápticas que contienen dopamina, provocando la filtración de dopamina vesicular al citosol, donde puede oxidarse en neuromelanina, y (ii) la regulación de la expresión de tirosinasa. Además, se investigó si el entorno oxidativo asociado a la producción de neuromelanina puede, a su vez, influir en la patología y propagación de la alfa-sinucleína inducidas por fibrillas preformadas derivadas de pacientes. Nuestros hallazgos mostraron que la patología y propagación de la alfa-sinucleína no se incrementaron significativamente en animales productores de neuromelanina.

En conjunto, esta tesis proporciona nuevas perspectivas sobre la fisiopatología de la enfermedad de Parkinson, destacando una interacción patológica compleja entre la alfa-sinucleína y la neuromelanina. Estos hallazgos establecen un camino para una comprensión más profunda de los mecanismos moleculares subyacentes a la enfermedad y pueden ofrecer nuevas oportunidades potenciales para el desarrollo de estrategias terapéuticas.

Parkinson’s disease is neuropathologically characterised by the preferential degeneration of neuromelanin-containing neurons, particularly those located in the substantia nigra, and the presence of alpha-synuclein-containing Lewy bodies within affected neurons. In contrast to humans, neuromelanin does not naturally accumulate in most animals, including rodents, which has hindered the exploration of this brain pigment’s role and its interplay with alpha-synuclein in the disease process. To overcome this limitation, our group has recently developed the first experimental in vivo rodent models exhibiting age-dependent human-like neuromelanin production and accumulation within neurons vulnerable to Parkinson’s disease. This was achieved through the overexpression of tyrosinase, a key enzyme involved in melanogenesis, leading to neuromelanin levels comparable to those observed in elderly humans. In these models, age-related intracellular neuromelanin accumulation compromised neuronal function when levels exceeded a certain pathogenic threshold, triggering key features of Parkinson’s disease. Notably, this pathogenic threshold was also observed in post-mortem brains of Parkinson’s disease patients. Currently, the factors that may accelerate neuromelanin accumulation beyond this threshold in Parkinson’s disease patients remain unknown. In this thesis, we assessed the role of increased alpha-synuclein levels on neuromelanin-associated Parkinson’s disease pathology. Remarkably, increased alpha-synuclein levels, as seen in Parkinson’s disease patients, accelerated neuromelanin build-up and exacerbated neuromelanin-associated Parkinson’s disease pathology. Molecular studies revealed that alpha-synuclein overexpression promotes neuromelanin accumulation by: (i) permeabilizing dopamine-containing synaptic vesicles, causing the leakage of vesicular dopamine into the cytosol where it can oxidise into neuromelanin and (ii) regulating tyrosinase expression. Furthermore, it was investigated whether the oxidative environment associated with neuromelanin production can, in turn, influence alpha-synuclein pathology and spreading induced by patient-derived pre-formed fibrils. Our findings showed that alpha-synuclein pathology and spreading were not significantly enhanced in neuromelanin-producing animals. Altogether, this thesis provides novel insights into Parkinson’s disease pathophysiology, highlighting a complex pathological interplay between alpha-synuclein and neuromelanin. These findings establish a path for a deeper understanding of the molecular mechanisms underlying the disease and may offer new potential opportunities for the development of therapeutic strategies.