Investigation of combined biological roles of neuraminidase 1 and gm3 synthase enzymes in glycolipid metabolism

Abstract

Gangliosides are sialic acid-containing glycosphingolipids, and commonly expressed in nervous system. GM3 Synthase is responsible for production of GM3 ganglioside known as precursor of a- and b- series gangliosides. Sialidases catalyze removing of sialic acid residues from sialoglycoconjugates and classified based on subcellular localization. Lysosomal Neu1 sialidase is responsible for catabolism of glycolipids, glycoproteins and oligosaccharides. Mutations of lysosomal Neu1 sialidase cause sialidosis and Neu1-/- mice mimic symptoms seen in patients. Glycosphingolipid accumulation in visceral organs of sialidosis patients was notified previously, and it was also reported the GM3 ganglioside as substrate of lysosomal sialidase in vitro. However, effect of Neu1 sialidase in the case of complex ganglioside deficiency in brain remains unclear. In the concept of research, we aimed to understand biological role of lysosomal Neu1 sialidase alone and combined with GM3S in ganglioside metabolism in vivo. In accordance with this purpose, cortex, cerebellum and thalamus tissues of 2- and 5-month old Neu1-/-GM3S-/-, Neu1-/- and GM3S-/- mice were compared with age-matched control group using molecular biological, histological, immunohistochemistry and behavioral analyses. Alterations in ganglioside metabolism, oligosaccharide pattern and cellular processes (ER-oxidative stress, apoptosis), structural abnormalities, glycoconjugate accumulation, loss of neurons and oligodendrocytes in addition to age dependent behavioral impairments in motor function, memory and muscle strength were demonstrated in single and double knock-out mice. In regard of these results, we have concluded that altered glycosphingolipid metabolism with accumulated secondary metabolites like oligosaccharides affect cellular processes and brain pathology resulting in behavioral abnormalities in age dependent and region specific manner.

Gangliositler, sinir sisteminde yaygın olarak ifade edilen sialik asit içeren glikosifingolipitlerdir. GM3 Synthase a- ve b-serisi gangliositlerin üretimi için öncü olan GM3 gangliositinin üretiminden sorumludur. Sialidazlar, sialoglikokonjugatlardan sialik asit kalıntılarının uzaklaştırılmasını katalizlerler ve hücresel lokalizasyonlarına göre sınıflandırırlar. Lizozomal Neu1 sialidaz glikolipit, glikoprotein ve oligosakkaritlerin katabolizmasından sorumludur. Neu1 sialidaz mutasyonları, sialidoz hastalığına sebep olur ve Neu1 enzim eksikliğine sahip fareler hastalarda görülen semptomları taklit eder. Hastaların Neu1 sialidaz eksikliğine bağlı olarak iç organlarında glikosfingolipit birikimi önceki çalışmalarda gösterilmiş ve in vitro olarak lizozomal sialidaz substratının GM3 gangliositi olduğu bildirilmiştir. Fakat Neu1 sialidazının beyinde kompleks gangliositlerin eksikliğindeki rolü bilinmemektedir. Bu araştırmamız kapsamında, lizozomal Neu1 sialidazın tek başına ve GM3S ile birlikte beyindeki glikosfingolipit metabolizması üzerindeki biyolojik etkisini in vivo olarak anlamayı amaçladık. Bu amaç doğrultusunda, 2 ve 5 aylık Neu1-/-GM3S-/-, Neu1-/- ve GM3S-/- fare gruplarının korteks, beyincik ve talamus dokuları yaş eşleniği kontrol grubu ile moleküler biyolojik, histolojik, immunohistokimyasal ve davranış deneyleri yapılarak karşılaştırıldı. Glikolipit metabolizması, oligosakkarit paterni, hücresel süreçlerdeki (ER-oksidatif stres ve apoptoz) değişimler, yapısal bozukluklar, glikokonjügat birikimi, nöron ve oligodendrosit sayılarında azalma ve bunlara ek olarak motor fonksiyonunda, hafıza ve kas gücünde hasarlar gibi yaşa bağlı davranışsal bozukluklar tek ve çift gen eksikliğine sahip fare modellerinde gösterilmiştir. Bu sonuçlar doğrultusunda, glikolipit metabolizmasındaki değişiklikler ile birlikte oligosakkarit gibi sekonder metabolitlerin birikimi yaşa ve bölgeye bağlı çeşitli hücresel süreçleri ve beyin patolojisini etkileyip davranışsal bozukluklara sebep olduğu gösterilmiştir.