Non-canonical neuron-specific interferon-gamma pathway in the hSOD1G93A mouse model of amyotrophic lateral sclerosis

Sengupta, Saikata GND

Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is the most commonly occurring motor neuron disease that is fatal and incurable. Motor neurons are markedly vulnerable to excitotoxicity mostly from over-stimulation of alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic (AMPA) receptors and are principal targets in ALS. Interferon-gamma (IFN-γ), a pro-inflammatory cytokine, can independently cause neuronal dysfunction by triggering calcium influx through a calcium-permeable complex of IFN-γ receptor 1 (IFN-γR1) subunit and AMPAR subunit Glutamate Receptor 1 (GluR1). This receptor complex is formed via a non-canonical neuron-specific IFN-γ pathway. In this study, we explore the expression of the non-canonical IFN-γ pathway’s key participants – the upstream targets: IFN-γR1 and GluR1, and the downstream players: Janus Kinase 1(JAK1), Signal Transducer and Activator of Transcription (STAT1), and Protein Kinase A (PKA) – for the first time in the hSOD1G93A ALS mouse model. Elevated IFN-γR1 protein expression was observed in motor neurons of both presymptomatic and symptomatic hSOD1G93A, while GluR1 protein levels were higher only in the symptomatic ALS mice ex vivo. The expression of the downstream participants, namely JAK1 and STAT1, were unchanged irrespective of age group and genotype, while one of PKA’s catalytic subunits was downregulated at transcript level in hSOD1G93A mice. In in vitro system involving primary motor neuron-enriched co-cultures representing the embryonic stage, IFN-γR1 and GluR1 were similarly expressed in both hSOD1G93A mice and non-transgenic control mice. We, also, determined the direct effects of IFN-γ alone or in the presence of an excitotoxic agent, kainate, on motor neuron survival in vitro. IFN-γ was weakly neurotoxic on the embryonic motor neurons and did not influence kainate-mediated excitotoxicity. In conclusion, increased IFN-γR1 in motor neurons of adult hSOD1G93A mice can most likely sensitize the neurons to excitotoxic insults involving GluR1 and/or pathways mediated by IFN-γ, thus, serving as a potential direct link between neurodegeneration and inflammation in ALS.

Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist die am häufigsten auftretende Motoneuronerkrankung, die sowohl tödlich als auch unheilbar ist. Motoneurone, die Hauptziele in ALS, sind besonders anfällig für Exzitotoxizität, welche vor allem aus Überstimulation von alphaamino- 3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic (AMPA) Rezeptoren hervorgeht. Interferongamma (IFN-γ), ein proinflammatorisches Zytokin, kann unabhängig neuronale Dysfunktion verursachen, in dem es Calciumeinstrom durch einen Calcium-permeablen Komplex der IFN- γ Rezeptor 1 (IFN-γR1) Untereinheit und der AMPAR Untereinheit Glutamat Rezeptor 1 (GluR1) auslöst. Dieser Rezeptorkomplex wird durch einen unkonventionellen, neuronspezifischen Signalweg geformt. In dieser Studie untersuchen wir die Expression der Schlüsselfaktoren des unkonventionellen IFN-y Signalweges: die vorgeschalteten Ziele IFN-γ und GluR1 sowie die nachgeschalteten Faktoren Janus Kinase 1(JAK1), Signal Transducer and Activator of Transcription (STAT1) und Protein Kinase A (PKA) - zum ersten Mal im hSOD1G93A ALS Mausmodell. Erhöhte IFN-γR1 Proteinexpression wurde sowohl bei präsymptomatischen als auch symptomatischen Motoneuronen der hSOD1G93A Mäuse beobachtet, während GluR1 Proteinlevel nur in den symptomatischen ALS Mäusen ex vivo erhöht waren. Die Expression der nachgeschalteten Beteiligten JAK1 und STAT1 war unabhängig von Alter und Genotyp unverändert, während eine katalytische Untereinheit der PKA in hSOD1G93A Mäusen herunter reguliert war. Im in vitro System, das primäre Motoneuron-angereicherte Kokulturen enthält, die die embryonale Phase repräsentieren, waren IFN-γR1 und GluR1 sowohl in hSOD1G93A Mäusen als auch nicht-transgenen Kontrollmäusen gleich exprimiert. Weiterhin ermittelten wir den direkten Einfluss von IFN-γ allein und in Kombination mit der exzitotoxischen Substanz Kainat auf Motoneuronüberleben in vitro. IFN-γ wirkte schwach neurotoxisch auf die embryonalen Motoneurone und übte keinen Einfluss auf die Kainat-vermittelte Exzitotoxizität aus. Zusammenfassend ist die erhöhte Expression von IFN-γR1 in Motoneuronen erwachsener hSOD1G93A Mäuse höchstwahrscheinlich in der Lage, Neurone für GluR1 und/oder IFN-γ vermittelte Signalwege bedingte Exzitotoxizität zu sensibilisieren. Dies lässt auf eine potentielle direkte schließen.

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Sengupta, Saikata: Non-canonical neuron-specific interferon-gamma pathway in the hSOD1G93A mouse model of amyotrophic lateral sclerosis. Jena 2019.

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