The physiological and therapeutic regulation of protein-protein interactions for functional dopamine synthesis

Tyrosin hydroksylase (TH) er et enzym som har et essensielt rolle i syntese av signalstoffet (nevrotransmitter) dopamin i hjernen. I mennesker styrer dopamin bevegelser og er avgjørende for informasjonsbehandling og følelser. Defekter i TH eller i proteiner som regulerer TH aktivitet og syntese av kofaktoren tetrahydrobiopterin leder til en nedgang i dopaminnivået i hjernen som igjen resulterer i bevegelsesdefekter og nevropsykiatriske sykdommer. Dette sees bl.a. i en sjelden og alvorlig, arvelig parkinsonisme, knyttet til mutasjoner i TH-genet, men også i folkesykdommen Parkinson's sykdom (PD) som forårsakes av død av neuronene som utrykker TH og produserer dopamin. I dette prosjektet har vi studert interaksjoner av TH med regulerende proteiner som påvirker TH funksjon og stabilitet i neuroner, og modulerer dopamin syntese. Vi har også oppdaget små molekyler som stabiliserer TH og mutante former og som har potensialet til å bli videreutviklet i medikamenter for å korrigere både genetiske parkinsonismer og PD. For å fremstille disse nye behandlingene, er det en fordel å kjenne den 3-dimensjonal strukturen av TH, både alene og sammen med andre proteiner og små molekyler, noe som hat vært et viktig mål i dette prosjektet. Dermed, et høydepunkt i prosjektet har vært bestemmelsen av strukturen til det komplette TH enzym med og uten dopamine, og vi har også studert strukturen til andre enzymer i samme familie som TH, sånn som fenylalanin hydroksylase, et enzym assosiert med fenylketonuri. Vi har i tillegg utviklet modellsystemer i celler og mus med dysfunksjonell TH, som kan brukes for å studere sykdomsmekanismer, oppdage biomarkører og teste ulike behandlingsalternativer.

Dopamine (DA) deficiencies associated with parkinsonisms are very disabling and present unmet needs with respect to treatments, especially for tyrosine hydroxylase (TH) deficient patients that do not respond to the DA precursor L-Dopa. Novel therapies are also needed in the case of Parkinson's disease, as L-Dopa becomes ineffective after few years and shows severe secondary effects. The broad range of physical and neurological issues place a terrible burden on these patients, their family and society and represent a major challenge to the health care systems. New and more effective treatment opportunities will improve the lives of these patients. Our results in this project have potential to derive into a pharmacological chaperone-based treatment, developed though structural and mechanistic understanding of TH and its regulation, and represent a promise for better quality of life for these patients, as these drugs correct the defect beyond the palliative treatments.

Tyrosine hydroxylase (TH) is the rate-limiting enzyme in the synthesis of the neurotransmitter dopamine. TH activity, stability and subcellular localization depend on a network of interactions with proteins and membranes that ultimately regulate TH association with organelles, notably synaptic vesicles. Functional interactions require integrity of structure, stability and dynamics, regulated through posttranslational modifications, notably phosphorylation of TH. We aim to elucidate molecular mechanisms regulating TH function, stability and subcellular localization in neurons and how misfolding mutations and dysfunctional interactions with vesicular and mitochondrial membranes lead to pathologies with decreased dopamine synthesis. The TH complexes will be studied by advanced molecular-, structural- and cellular-biology methods. Mice models of TH deficiency (THD, caused by TH mutations) and Parkinson's disease (PD) and access to post-mortem patient samples will contribute to elucidate pathological mechanisms. The most recurrent THD mutation in humans is TH1-R202H, associated with severe phenotype unresponsive to L-Dopa treatment. We have generated Th-knock-in (Th-ki) mice that express this mutation and show gradual loss of TH in striatum, major reduction of brain dopamine and severe motor phenotype. Th-ki represents a robust model of severe THD as well as a valuable non-neurodegenerative model to investigate some aspects in PD, such as early striatal decrease of TH that precedes onset of neurodegeneration in the substantia nigra. The mutant TH1-R202H protein exhibits misfolding and impaired axonal transport, also pointing to Th-ki as a platform to evaluate THD and PD therapies based on pharmacological chaperones. These innovative therapies are being developed by the applicant group for a number of genetic diseases. The applicants and collaborators bring a unique combination of interdisciplinary methodology put forward to ensure the success of this project.