A study of Parkinson´s disease and multiple sclerosis omics data to identify molecular disease mechanisms

Abstract

Parkinson´s disease (PD) and multiple sclerosis (MS) are two of the most common complex neurological disorders affecting millions of people worldwide. PD is characterized by the loss of dopaminergic neurons in the midbrain and by the presence of protein aggregates, called Lewy bodies, in many regions of the brain. These pathological hallmarks ultimately cause characteristic motor symptoms and, in later stages of the disease, also cognitive impairment. MS is an autoimmune disease characterized by chronic inflammation and demyelination in the central nervous system that lead to both cognitive and physical deficits. Therefore, both PD and MS present with debilitating symptoms that negatively affect patients´ life. Currently, there is no cure for these diseases, only symptomatic treatment, for PD, and disease modifying therapies, for MS are available. This is due to the still poor understanding of the molecular mechanisms causing these diseases. In the last years, the development of novel technologies has enabled whole genome studies and the identification of several genetic variants associated with increased risk of developing complex diseases such as PD or MS. However, the biological mechanisms behind these associations remain to be elucidated. A central goal of this thesis has been to perform advanced analyses of omics data, i.e RNA-sequencing and quantitative proteomics, for the identification of biological processes implicated in PD and MS that could ultimately be used as targets for the development of novel disease-modifying therapies. By comparing the brain transcriptome of PD patients and neuropathologically healthy donors, we found that gene expression and many related biological processes are highly disease-stage specific, whereas ATP-metabolic processes are involved at all disease stages. Additionally, we linked the expression of MAP4K4 and PHYHIP to genetic and epigenetic factors previously associated with increased risk of PD. Further, we showed that brain gene expression and age-related gene expression can be influenced in a sex-specific manner by both known PD variants and newly identified loci manifesting pleiotropy between PD and sex-specific traits. By doing so, we demonstrated that there is a genetic component to the sex difference observed in PD prevalence. Next, by investigating the proteome of unstimulated and stimulated CD4+ T cells of MS patients and healthy controls, we showed dysregulation in T cell activation in MS samples and identified the Nur77 signaling pathway as potential target for future studies. Collectively, the work presented in this thesis comprises a wide range of analytical methods that permitted the identification of genes, proteins and biological processes involved in PD and MS, but the same analyses methods could be used to study other complex diseases. Furthermore, our studies have identified several genes and biological pathways that could be prioritized in future functional studies enabling a deeper understanding of the molecular mechanisms causing PD and MS and ultimately leading to improved therapeutic options for the patients.

Parkinsons sykdom og multippel sklerose er to av de vanligste komplekse nevrologiske sykdommene. Parkinsons sykdom er preget av tap av dopaminproduserende hjerneceller i midthjernen og av tilstedeværelsen av proteinaggregater, såkalte Lewy-legemer, i mange hjerneregioner. Disse patologiske kjennetegnene forårsaker til slutt motoriske symptomer og, i senere stadier av sykdommen, også kognitiv svikt. Multippel sklerose er en autoimmun sykdom, karakterisert ved kronisk betennelse i sentralnervesystemet. Dette resulterer i demyelinisering av nervefibre som fører til både kognitive og fysiske utfordringer for pasientene. Foreløpig finnes ingen behandling som kan kurere disse sykdommene. I dag finnes det kun sykdomsmodifiserende medikamenter, såkalte bremsemedisiner, for multippel sklerose, mens ved Parkinsons sykdom finnes utelukkende symptombehandling. Mangel på gode medisiner skyldes at vi ikke forstår de molekylære mekanismene som forårsaker disse sykdommene fullt ut. I de siste årene har utviklingen av nye teknologier muliggjort helgenom-studier og identifisering av et stort antall genetiske varianter som er assosiert med økt risiko for å utvikle komplekse sykdommer som Parkinsons sykdom og multippel sklerose. Det gjenstår imidlertid å forstå den biologiske betydningen av disse genetiske funnene. Hovedmålet med denne oppgaven har vært å benytte avanserte metoder for analyser av «omics» data (RNA sekvensering og kvantitativ proteomikk) for å bedre forståelsen av sykdomsprosesser i Parkinsons sykdom og multippel sklerose. Gener og biologiske reaksjonsveier som er identifisert i disse studiene kan i fremtiden være angrepspunkter for utvikling av nye sykdomsmodifiserende terapier. Vi har sammenliknet transkriptomet i hjernevev til Parkinsons sykdom pasienter med transkriptomet i hjernevev fra nevropatologisk friske givere. Vi har funnet en rekke biologiske prosesser som var sykdomsstadier spesifikke, mens ATP-avhengige metabolske prosesser ser ut til å være involvert i alle sykdomsstadier i Parkinsons sykdom. I tillegg har vi funnet at genuttrykket av MAP4K4 og PHYHIP er koblet til genetiske og epigenetiske faktorer som tidligere var vist å være assosiert med Parkinsons sykdom. Det er velkjent at Parkinsons sykdom er vanligere hos menn enn kvinner. Vi har gjennomført avanserte genetiske analyser av risiko for Parkinsons sykdom og kjønnsspesifikke egenskaper. Vi har med disse analysene vist at det er en genetisk komponent til kjønnsforskjellen som er observert i forekomsten av Parkinsons sykdom. I multippel sklerose pasienter undersøkte vi proteomet til ustimulerte og stimulerte CD4+ T-celler fra blod og sammenliknet med celler fra friske kontroller. Det var en anrikning av proteiner kodet for av mottakelighetsgener for multippel sklerose blant proteiner som endret ekspresjon ved T celleaktivering, og vi fant at Nur77-signalveien var deregulert i prøver fra multippel sklerose pasienter. Dette arbeidet omfatter et bredt spekter av analytiske metoder som resulterte i identifisering av gener, proteiner og biologiske prosesser som er involvert sykdomsprosessene ved Parkinsons sykdom og multippel sklerose. Tilsvarende analysemetode kan brukes til studier av andre komplekse sykdommer. I vår studie har vi identifisert gener og biologiske reaksjonsveier som bør prioriteres i fremtidige funksjonelle studier. På den måten kan man bedre forståelsen av de bakenforliggende molekylære sykdomsmekanismene ved Parkinsons sykdom og multippel sklerose, og dette kan være et utgangspunkt for å identifisere nye terapeutiske angrepspunkt.