Generation and characterization of a mouse model for the achalasia, alacrima and mental retardation (AAMR) syndrome

Franzka, Patricia GND

The AAMR syndrome is characterized by mental retardation and gait abnormalities as well as achalasia and alacrima. This disorder is inherited as an autosomal recessive trait and is caused by mutations in the Guanosine-diphosphate-(GDP)-mannose-pyrophosphorylase A (GMPPA) gene. GMPPA encodes the 420 aa protein GMPPA. Its homolog, the GDP-mannose-pyrophosphorylase B (GMPPB), converts mannose-1-phosphate and guanosine triphosphate (GTP) to GDP-mannose, which is an essential substrate for glycosylation. Up to date, 18 patients with inactivating mutations in the GMPPA gene have been reported worldwide. To elucidate the function of GMPPA in more detail we generated a Gmppa knockout (KO) mouse model. Importantly, these mice recapitulate many features of human AAMR syndrome patients, e.g. homozygous Gmppa KO mice show structural brain alterations. Moreover, Gmppa KO mice show a progressive gait disorder with muscle weakness accompanied by centralization of nuclei, alterations of the mean fiber diameter, the distribution of extracellular matrix (ECM) proteins and of the Z-disc related protein α-Actinin. In immunoblot analysis we found hyperglycosylation of proteins, especially hyperglycosylation of alpha-Dystroglycan (α-DG). Hyperglycosylated α-DG shows decreased protein stability and an increased binding to ECM proteins. Suggesting that the observed muscle phenotype is muscle intrinsic, sciatic nerve structure and nerve conduction velocities are normal in Gmppa KO mice. Mechanistically, elevated GDP-mannose levels and a direct interaction of GMPPA with GMPPB support a role of GMPPA as an allosteric feedback inhibitor of GMPPB. Gmppa knockdown studies in myoblasts revealed an increased α-DG turnover and activation of ERK signaling. In mice, a mannose-depleted diet dramatically improved the motor phenotype and almost normalized glycosylation of α-DG and ERK signaling. Thus, we propose that AAMR syndrome caused by GMPPA mutations is at least in part a treatable condition.

Beim AAMR-Syndrom leiden Betroffene unter einer geistigen Behinderung, Gangstörungen sowie Achalasie und Alakrimie. Diese autosomal-rezessiv vererbbare Erkrankung wird durch Mutationen im Guanosin-Diphosphat-(GDP)-Mannose-Pyrophosphorylase A (GMPPA) Gen hervorgerufen, welches das 420 Aminosäuren lange Protein GMPPA kodiert. Das Homolog von GMPPA, die GDP-Mannose-Pyrophosphorylase B (GMPPB), konvertiert Mannose-1-Phosphat und Guanosin-Triphosphat (GTP) zu GDP-Mannose, welches ein essentielles Substrat der Glykosylierungskette darstellt. Bis heute sind nur 18 Patienten mit GMPPA-Mutationen beschrieben worden. Um die Funktion von GMPPA näher zu beleuchten, haben wir ein Gmppa-Knockout-(KO)-Mausmodell generiert. Diese Mäuse zeigen ein Krankheitsbild das viele Aspekte der humanen Patienten wiederspiegelt, so zeigen homozygote Gmppa-KO-Mäuse kognitive Defekte sowie strukturelle Veränderungen des Gehirns. Des Weiteren zeigen Gmppa-KO-Mäuse eine progressive Gangstörung mit zunehmender Muskelschwäche sowie Veränderungen extrazellulärer Matrix-(ECM) und Z-Disk-Proteine. Wir konnten an Gewebe-Lysaten zeigen, dass Proteine von Gmppa-KO-Mäusen, insbesondere auch alpha-Dystroglykan (α-DG), hyperglykosyliert sind. Die Hyperglykosylierung von α-DG führt zu einer verminderten Proteinstabilität und einer erhöhten Bindung an ECM-Proteine. Da in Gmppa-KO-Mäusen der Ischiasnerv morphologisch unverändert war und die elektrophysiologischen Eigenschaften unauffällig waren, gehen wir von einem muskelintrinsischen Defekt aus. Da die GDP-Mannose-Spiegel im Gewebe erhöht waren und eine direkte Interaktion von GMPPA mit GMPPB gezeigt werden konnte, vermuten wir, dass GMPPA als allosterischer Inhibitor von GMPPB fungiert. Gmppa-knockdown-Studien in Myoblasten lassen auf eine Aktivierung des ERK-Signalweges schließen. Wir konnten durch Gabe einer Mannose-freien Diät eine erhebliche Verbesserung der motorischen Auffälligkeiten sowie eine fast vollständige Normalisierung der Glykosylierung und der ERK-Aktivierung erreichen. Möglicherweise ist eine Mannose-freie Diät auch eine therapeutische Option für Patienten.

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