Immunohistochemical, biochemical and imaging-mass spectrometric analysis of brain tissues of mice with combined deficiencies of ß-hexosaminidase a, sialidase Neu4 and GM2-ap

Abstract

Gangliosides are complex glycosphingolipids derived from glucosylceramide or galactosylceramide and contain sialic acid in their carbohydrate chain. Sialidases, known also as neurominidases, are a family of glycohydrolytic enzymes functioning in the catabolism of sialoglycoconjugates by removing α-glycosidically linked sialic acid residues. Sialidase Neu4 is the lysosomal sialidase and GM2 activator protein is the cofactor of β-Hexosaminidase a enzyme to degrade the GM2 ganglioside. The activity of sialidase Neu4 activity against GD1a and GM2 gangliosides were significantly increased by the co-transfection with GM2 activator protein to the cells transfected with sialidase Neu4. This in vitro study revealed that lipid-binding proteins can facilitate the glycolipid degradation rendered by sialidase Neu4 in the lysosomes. In the concept of this study, a systematic comparison of the storage levels of gangliosides, gene expression ratios and behavioral features of new double (Hexa-/-GM2AP-/- and GM2AP-/-Neu4-/-) and triple (Hexa-/-GM2AP-/-Neu4-/-) knockout mice models with the existing double (Neu4-/-Hexa-/-) and single (Hexa-/-) knockout models revealed the possible involvement of the GM2 activator protein as a cofactor of sialidase Neu4 in the bypass mechanism in the Tay-Sachs mice, in vivo. Based on the increased GM2 ganglioside level in brain and cerebellum detected by the immunohistochemical and imaging mass spectrometric analysis, we speculate that the sialidase Neu4 functions on the degradation of GM2 ganglioside with GM2 activator protein, in vivo.

Gangliositler glukozilseramit veya galactozilseramitten türemiş ve karbonhidrat zincirlerinde sialik asit taşııyan karmaşık glukosfingolipitlerdir. Sialidazlar, nörominidazlar olarak da bilinirler, sialoglukokonjugatlardan α-glukozidik olarak bağlı sialik asit gruplarını ayırarak aktivite gösteren glikohidrolitik enzim ailesindendirler. Sialidaz Neu4 lizozomal sialidazdır ve GM2 aktivatör protein ise β-Hekzosaminidaz a enziminin GM2 gangliositini yıkmak için olan kofaktörüdür. Sialidaz Neu4’ün GD1a ve GM2 gangliositlerine karşı olan aktivitesi sailidaz Neu4 aktarılan hücrelere GM2 aktivatör proteinin de birlikte aktarılması ile belirgin bir şekilde artmışır. Bu in vitro çalışma lipit bağlayan proteinlerin lizozomlardan sialidaz Neu4 ile gerçekleşirilen glikolipid yıkımını kolaylaştırdığını ortaya koymuştur. Bu çalışma kapsamında, yeni ikili Hexa-/-GM2AP-/- ve GM2AP-/-Neu4-/-) ve üçlü (Hexa-/-GM2AP-/-Neu4-/-) enzim eksikliği olan fare modellerinin, hali hazırda bulunan ikili (Neu4-/-Hexa-/-) ve tekli (Hexa-/-) enzim eksikliği olan fare modelleriyle, gangliositlerin birikim miktarlarının, gen ifadesi oranlarının ve davranışal özelliklerinin sistematik olarak karşlaşırılması, Tay-Sachs faresinde görülen metabolik baypas mekanizmasında GM2 aktivatör proteininin sialidaz Neu4’ün olası kofaktörü olarak katılmasını in vivo olarak ortaya çıkarmıştır. İmmunohistokimyasal ve görüntülü kütle spektrometrik analiz ile saptanan beyin ve beyincikte artan GM2 gangliosit miktarına bağlı olarak, sialidaz Neu4’ün in vivo olarak GM2 gangliositinin yıkımında GM2 aktivatör protein ile birlikte rol aldığını speküle ediyoruz.