Alpha-synuclein fibril-based mouse model of REM sleep behavior disorder as a prodrome of Parkinson’s disease

Abstract

Background & Objective: REM sleep behavior disorder (RBD) is widely established as a highly predictive symptom of future alpha-synucleinopathy. The sublaterodorsal tegmental nucleus (SLD) plays a critical role in maintaining muscle atonia during REM sleep. Although the underlying mechanisms of RBD remain unknown, it is thought that RBD is cause by α-synuclein(αSyn)-mediated degeneration of the SLD neurons. Therefore, the development of a robust animal model that incorporates synucleinopathy and recapitulates RBD would offer a unique opportunity to study a prodromal phase of synucleinopathy. We investigated whether in wild-type mice, inoculation of αSyn preformed fibrils (PFFs) into the SLD would lead to either RBD or subsequent parkinsonism-like phenotype. Methods: Human autopsy samples were used to examine the pathological burden in the SLD according to the presence of RBD in patients with Lewy body disease. Adeno-associated virus (AAV) was used to drive the overexpression of αSyn in SLD neurons to establish the causal relationship of αSyn pathology in the SLD followed by the development of RBD. Then, we stereotaxically injected wild-type mouse αSyn PFFs into the SLD in B6C3F1/J mice. At predetermined time points, mice then underwent histopathological, electrophysiological, and behavioral analyses. Co-labeling using antibodies to phosphorylated αSyn (p-αSyn) and common neurotransmitter markers was used to reveal neurons susceptible to αSyn pathology in the SLD. Neuronal and glial markers were also used to investigate the degeneration and reactive gliosis in the SLD. Results: Immunohistochemical staining for p-αSyn revealed numerous αSyn aggregates in the SLD of PD patients with comorbid RBD, whereas aggregates were sparse or absent in the PD patients without RBD and healthy controls. AAV-driven overexpression of αSyn in SLD neurons induced RBD-like behaviors in mice. αSyn PFF inoculation into the mouse SLD seeded endogenous αSyn pathology and initiated propagative αSyn pathology in the brain from the injection site rostrally to the cerebral cortex and caudally to the spinal cord. αSyn pathology was first found in the substantia nigra pars compacta at 6-months post-injection (mpi). Pathologic aggregates were initially found in cholinergic neurons and over time also in surrounding oligodendrocytes in the SLD. Seeded αSyn pathology in the SLD was associated with RBD-like behavior in mice from 3 mpi and also displayed cortical slowing and perturbed sleep-wake architecture from 6 mpi. Propagative αSyn pathology precipitated gait deficits at 12 mpi, especially in male mice. Conclusion: We demonstrated that the SLD can serve as a portal for the early spread of synucleinopathy and that induction of αSyn pathology in this manner results in an RBD-like phenotype in mice. We anticipate this mouse model will be a useful tool for understanding prodromal disease mechanisms and studying disease-modifying treatment in synucleinopathy including Parkinson’s disease.

배경 및 목적: 렘수면 행동장애는 알파시누클린병증 발생을 강력하게 예측하는 증상으로 잘 알려져 있다. Sublaterodorsal tegmental nucleus (SLD)는 렘수면 동안 근육 무긴장을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 렘수면 행동장애의 근본적인 기전은 아직 알려지지 않았으나, 이는 알파시누클린에 의한 SLD 신경세포의 퇴행에 기인하는 것으로 생각된다. 따라서 알파시누클린병증을 통합하고 렘수면 행동장애를 재현하는 동물 모델을 개발하면 알파시누클린병증의 전구 단계를 연구할 수 있겠다. 야생형 마우스에서 알파시누클린 피브릴을 SLD에 주입한 후 렘수면 행동장애 및 그에 따른 파킨슨병과 유사한 표현형이 나타나는지를 이 연구를 통하여서 조사하였다. 방법: 인간 부검 샘플을 사용하여 루이소체질환 환자의 렘수면 행동장애 동반에 따라 SLD의 알파시누클린 병리의 정도를 조사하였다. 아데노 관련 바이러스를 사용하여 SLD 신경세포에서 알파시누클린의 과발현을 유도하여 SLD에서 알파시누클린 병리과 렘수면 행동장애의 발생 간의 인과관계를 확립하였다. 그런 다음 야생형 마우스 알파시누클린 피브릴을 B6C3F1/J 마우스의 SLD에 주입하고, 정해진 시점에서 마우스의 조직병리, 전기생리학적 특성 및 행동 분석을 시행하였다. 인산화된 알파시누클린 및 신경전달물질 표지자에 대한 항체를 사용하여 알파시누클린 병리가 어떤 신경세포에 잘 축적되는지를 밝혔고, 신경세포 및 교세포 표지자를 사용하여서 SLD에서 신경의 퇴행과 반응성 신경교증을 조사하였다. 결과: 인산화된 알파시누클린에 대한 면역조직화학 염색을 통하여서 렘수면 행동장애를 동반한 파킨슨병 환자의 SLD에 알파시누클린 응집체가 많을 것을 관찰하였고, 반면에 렘수면 행동장애가 없는 파킨슨병 환자나 건강한 대조군에서는 응집체가 희소하거나 없었다. SLD 신경세포에서 아데노 관련 바이러스를 이용한 알파시누클린의 과발현은 마우스에서 렘수면 행동장애와 유사한 행동을 유도하였다. 마우스 SLD에 알파시누클린 피브릴을 주입했을 내인성 알파시누클린 병리가 발생하였고 주입 부위로부터 위로는 대뇌 피질로, 아래로는 척수로 병리가 전파됨을 관찰하였다. 특별히, 흑색질 병리는 주사 6개월째 발견되었다. 병리적 응집체는 초기에는 콜린성 신경세포에서 발견이 되었고 시간이 지나면서 SLD 신경세포 주변의 희소돌기아교세포(oligodendrocyte)에서도 발견이 되었다. SLD내 파종된 알파시누클린 병리는 주사 3개월째부터 마우스에서 렘수면 행동장애와 유사한 행동과 연관을 보였고, 6개월째부터 피질 둔화 및 교란된 수면-각성 구조를 보였다. 전파된 알파시누클린 병리는 12개월째 보행 결손을 유발하였고 특이 수컷에서 뚜렷한 차이를 보였다. 결론: 우리는 SLD가 알파시누클린병의 조기 확산을 위한 포탈(portal) 역할을 할 수 있고, 이런 방식으로 유도한 알파시누클린 병리는 마우스에서 렘수면 행동장애와 유사한 표현형을 나타낸다는 것을 보여줬다. 우리는 이 마우스 모델이 파킨슨병을 포함한 알파시누클린병증에서 전구 질환의 기전을 이해하고 질병을 조절할 수 있은 치료법을 연구하는 데에 유용한 도구가 될 것으로 기대한다.