Annals of Clinical and Experimental NeurologyAnnals of Clinical and Experimental NeurologyАнналы клинической и экспериментальной неврологии2075-54732409-2533Eco-Vector110610.17816/ACEN.1106Original articlesОригинальные статьиResearch ArticleBlood Glucocerebrosidase Activity and α-Synuclein Levels in Patients with GBA1-Associated Parkinson's Disease and Asymptomatic GBA1 Mutation CarriersАктивность глюкоцереброзидазы и уровень α-синуклеина в крови у пациентов с GBA1-ассоциированной болезнью Паркинсона и бессимптомных носителей мутаций в гене GBA1https://orcid.org/0000-0002-3249-7889EmelyanovAnton K.ЕмельяновАнтон Константинович
Russian Federation

Cand. Sci. (Biol.), senior researcher, Laboratory of human molecular genetics, NRC “Kurchatov Institute” — PNPI; senior researcher, Laboratory of medical genetics, Pavlov First Saint Petersburg State Medical University

канд. биол. наук, с. н. с. лаб. молекулярной генетики человека НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ; с. н. с. лаб. медицинской генетики ПСПбГМУ им. акад. И.П. Павлова

e_anton_gen@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5132-2283UsenkoTatiana S.УсенкоТатьяна Сергеевна
Russian Federation

Cand. Sci. (Biol.), senior researcher, Laboratory of human molecular genetics, NRC “Kurchatov Institute” — PNPI; senior researcher, Laboratory of nanotechnology, Pavlov First Saint Petersburg State Medical University

канд. биол. наук, с. н. с. лаб. молекулярной генетики человека НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ; с. н. с. лаб. нанотехнологий ПСПбГМУ им. акад. И.П. Павлова

u.tatiana86@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6557-0253KopytovaAlena E.КопытоваАлена Эдуардовна
Russian Federation

Cand. Sci. (Biol.), junior researcher, Laboratory of human molecular genetics, NRC “Kurchatov Institute” — PNPI; junior researcher, Laboratory of molecular biology, Pavlov First Saint Petersburg State Medical University; junior researcher, Medical Institute, Surgut State University

канд. биол. наук, м. н. с. лаб. молекулярной генетики человека НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ; м. н. с. лаб. молекулярной биологии ПСПбГМУ им. акад. И.П. Павлова; м. н. с. Медицинского института Сургутского государственного университета

kopytovaalena@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6433-542XMiliukhinaIrina V.МилюхинаИрина Валентиновна
Russian Federation

Cand. Sci. (Med.), Head, Center for neurodegenerative diseases, N.P. Bechtereva Institute of the Human Brain; senior researcher, Laboratory of medical genetics, Pavlov First Saint Petersburg State Medical University

канд. мед. наук, руководитель Центра нейродегенеративных заболеваний Института мозга человека им. Н.П. Бехтеревой РАН; с. н. с. лаб. медицинской генетики ПСПбГМУ им. акад. И.П. Павлова

milyukhinaiv@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1661-7753TimofeevaAlla A.ТимофееваАлла Аркадьевна
Russian Federation

Cand. Sci. (Med.), Assoc. Prof., Head, Center for extrapyramidal diseases, Department of neurology

канд. мед. наук, доцент, руководитель Центра экстрапирамидных заболеваний кафедры неврологии

timmma@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3939-0758BezrukovaAnastasia I.БезруковаАнастасия Игоревна
Russian Federation

research assistant, Laboratory of human molecular genetics, NRC “Kurchatov Institute” — PNPI; junior researcher, Laboratory of medical genetics, Pavlov First Saint Petersburg State Medical University

лаборант-исследователь лаб. молекулярной генетики человека НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ; м.н.с. лаб. медицинской генетики ПСПбГМУ им. акад. И.П. Павлова

bz.nastya96@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9700-0095KulabukhovaDarya G.КулабуховаДарья Геннадьевна
Russian Federation

Cand. Sci. (Biol.), research intern, Laboratory of human molecular genetics, NRC “Kurchatov Institute” — PNPI; junior researcher, Laboratory of medical genetics, Pavlov First Saint Petersburg State Medical University

анд. биол. наук, стажер-исследователь лаб. молекулярной генетики человека НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ; м. н. с. медицинской генетики ПСПбГМУ им. акад. И.П. Павлова

kulabuhovadarya@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8806-5287BaydakovaGalina V.БайдаковаГалина Викторовна
Russian Federation

Cand. Sci. (Biol.), leading researcher, Laboratory of hereditary metabolic diseases

канд. биол. наук, в. н. с. лаб. наследственных болезней обмена веществ

gb2003@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1952-4678NikolaevMikhail A.НиколаевМихаил Андреевич
Russian Federation

junior researcher, Laboratory of human molecular genetics, NRC “Kurchatov Institute” — PNPI; junior researcher, Laboratory of medical genetics, Pavlov First Saint Petersburg State Medical University

м. н. с. лаб. молекулярной генетики человека НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ; м. н. с. лаб. медицинской генетики ПСПбГМУ им. акад. И.П. Павлова

almaflex@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0007-2824-5762LavrinovaAnna O.ЛавриноваАнна Олеговна
Russian Federation

junior researcher, Laboratory of human molecular genetics

м. н. с. лаб. молекулярной генетики человека

lavrinova.anna@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1706-1718KudrevatykhAnastasia V.КудреватыхАнастасия Владимировна
Russian Federation

Cand. Sci. (Med.), neurologist

канд. мед. наук, врач-невролог Центра нейродегенеративных заболеваний

kudrevatykh91@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8495-5581ZhuravlevAlexander S.ЖуравлевАлександр Сергеевич
Russian Federation

research assistant, Laboratory of human molecular genetics, NRC “Kurchatov Institute” — PNPI; junior researcher, Laboratory of medical genetics, Pavlov First Saint Petersburg State Medical University; laboratory assistant, Medical Institute, Surgut State University

лаборант-исследователь лаб. молекулярной генетики человека НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ; м.н.с. лаб. медицинской генетики ПСПбГМУ им. акад. И.П. Павлова; лаборант-исследователь Медицинского института Сургутского государственного университета

rigold988@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7938-7196ZakharovaEkaterina Yu.ЗахароваЕкатерина Юрьевна
Russian Federation

D. Sci. (Med), Head, Laboratory of hereditary metabolic diseases

д-р мед. наук, зав. лаб. наследственных болезней обмена веществ

doctor.zakharova@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7431-6014PchelinaSofya N.ПчелинаСофья Николаевна
Russian Federation

D. Sci. (Biol.), Head, Laboratory of human molecular genetics, NRC “Kurchatov Institute” — PNPI; Head, Department of molecular genetics and nanobiological technologies, Pavlov First Saint Petersburg State Medical University; leading researcher, Biochemistry department, Institute of Experimental Medicine

д-р биол. наук, зав. лаб. молекулярной генетики человека НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ; зав. отделом молекулярно-генетических и нанобиологических технологий ПСПбГМУ им. акад. И.П. Павлова; в. н. с. отдела биохимии Института экспериментальной медицины

sopchelina@hotmail.comPetersburg Nuclear Physics Institute named after B.P. Konstantinov, National Research Centre “Kurchatov Institute”Петербургский институт ядерной физики имени Б.П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт»Pavlov First Saint Petersburg State Medical UniversityПервый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет имени академика И.П. ПавловаSurgut State UniversityСургутский государственный университетN.P. Bechtereva Institute of the Human BrainИнститут мозга человека имени Н.П. Бехтеревой РАНResearch Centre for Medical GeneticsМедико-генетический научный центр имени академика Н.П. БочковаInstitute of Experimental MedicineИнститут экспериментальной медицины0310202418350572003202427042024Copyright ©; 2024, Emelyanov A.K., Usenko T.S., Kopytova A.E., Miliukhina I.V., Timofeeva A.A., Bezrukova A.I., Kulabukhova D.G., Baydakova G.V., Nikolaev M.A., Lavrinova A.O., Kudrevatykh A.V., Zhuravlev A.S., Zakharova E.Y., Pchelina S.N.Copyright ©; 2024, Емельянов А.К., Усенко Т.С., Копытова А.Э., Милюхина И.В., Тимофеева А.А., Безрукова А.И., Кулабухова Д.Г., Байдакова Г.В., Николаев М.А., Лавринова А.О., Кудреватых А.В., Журавлев А.С., Захарова Е.Ю., Пчелина С.Н.2024Emelyanov A.K., Usenko T.S., Kopytova A.E., Miliukhina I.V., Timofeeva A.A., Bezrukova A.I., Kulabukhova D.G., Baydakova G.V., Nikolaev M.A., Lavrinova A.O., Kudrevatykh A.V., Zhuravlev A.S., Zakharova E.Y., Pchelina S.N.Емельянов А.К., Усенко Т.С., Копытова А.Э., Милюхина И.В., Тимофеева А.А., Безрукова А.И., Кулабухова Д.Г., Байдакова Г.В., Николаев М.А., Лавринова А.О., Кудреватых А.В., Журавлев А.С., Захарова Е.Ю., Пчелина С.Н.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://annaly-nevrologii.com/pathID/article/view/1106

Introduction. Mutations in a GBA1 gene, which encodes a lysosomal enzyme called glucocerebrosidase (GCase), are the most common genetic risk factor for Parkinson's disease (PD). The pathogenesis of PD results from the death of dopaminergic neurons in the substantia nigra of the brain, which is associated with the aggregation of α-synuclein protein. However, not all GBA1 mutation carriers develop PD during their lifetime.

The aim of this study was to evaluate GCase activity and α-synuclein levels in CD45+ blood cells of patients with PD associated with GBA1 mutations (GBА1-PD), asymptomatic carriers of GBA1 mutations (GBА1-carriers), and patients with sporadic PD (sPD), as well as correlation between the study parameters in the study groups.

Materials and methods. The study included patients with GBА1-PD (n = 25) and sPD (n = 147), and GBА1-carriers (n = 16). A control group included healthy volunteers (n = 154). The level of α-synuclein in CD45+ cells was measured by enzyme-linked immunosorbent assay, and GCase activity in dried blood spots was detected by high-performance liquid chromatography with tandem mass spectrometry.

Results. Increased level of α-synuclein protein was detected in CD45+ blood cells of patients with GBA1-PD, sPD, and GBA1-carriers compared to controls (p = 0.0043; p = 0.0002; p = 0.032, respectively). Decreased GCase activity was reported in GBA1-PD patients and GBA1-carriers compared to sPD patients (p = 0.0003; p = 0.003, respectively) and controls (p < 0.0001; p < 0.0001, respectively). However, negative correlation between α-synuclein levels and GCase activity was observed only in GBA1-PD patients, but not in GBA1-carriers.

Conclusion. Our data suggest a possible functional relationship between the activity of GCase and the metabolism of α-synuclein in PD associated with GBA1 mutations.

Введение. Мутации в гене GBA1, кодирующем лизосомный фермент глюкоцереброзидазу (GCase), являются наиболее распространённым генетическим фактором риска развития болезни Паркинсона (БП), в основе патогенеза которой лежит гибель дофаминергических нейронов чёрной субстанции головного мозга, ассоциированная с агрегацией белка α-синуклеина. Однако не у всех носителей мутаций в гене GBA1 развивается БП в течение жизни.

Целью настоящего исследования являлась оценка активности GCase и уровня α-синуклеина в CD45+-клетках в крови пациентов с БП, ассоциированной с мутациями в гене GBA1 (GBA-БП), бессимптомных носителей мутаций в гене GBA1 (GBA-носители) и пациентов со спорадической формой БП (сБП), а также корреляции между изучаемыми параметрами в исследуемых группах.

Материалы и методы. В исследование включены пациенты с GBA-БП (n = 25) и сБП (n = 147), GBA-носители (n = 16). Контрольную группу составили здоровые лица (n = 154). Уровень α-синуклеина в CD45+-клетках определяли путём иммуноферментного анализа, активность GCase в сухом пятне крови — высокоэффективной жидкостной хроматографии в сочетании с тандем-масс-спектрометрией.

Результаты. Выявлен повышенный уровень белка α-синуклеина в CD45+-клетках крови в группе пациентов с GBA-БП, сБП, а также GBA-носителей по сравнению с контролем (p = 0,0043; p = 0,0002; p = 0,032 соответственно). Активность GCase была снижена у пациентов с GBA-БП и GBA-носителей по сравнению с пациентами с сБП (p = 0,0003; p = 0,003 соответственно) и контролем (p < 0,0001; p < 0,0001 соответственно). Однако обратная корреляция уровня α-синуклеина и активности GCase наблюдалась только у пациентов с GBA-БП, но не у GBA-носителей.

Заключение. Полученные данные свидетельствуют о возможной функциональной взаимосвязи между активностью GCase и метаболизмом белка α-синуклеина при БП, ассоциированной с мутациями в гене GBA1.

Parkinson's diseaseGBA1 geneα-synucleinglucocerebrosidaseglucocerebrosidase activitybloodболезнь Паркинсонаген GBA1α-синуклеинглюкоцереброзидазаактивность глюкоцереброзидазыкровьFoundation for Scientific and Technological Development of YugraФонд научно-технологического развития Югры2023-123-05Ministry of Science and Higher Education of the Russian FederationМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации1023031500037-7-1.6.8; 1.6.1; 1.6.2; 1.6.3Balestrino R., Schapira A.H.V. Parkinson disease. Eur. J. Neurol. 2020;27(1):27–42. DOI: 10.1111/ene.14108Lill C.M. Genetics of Parkinson’s disease. Mol. Cell. Probes. 2016;30(6):386–396. DOI: 10.1016/J.MCP.2016.11.001Do J., McKinney C., Sharma P., Sidransky E. Glucocerebrosidase and its relevance to Parkinson disease. Mol. Neurodegener. 2019;14(1):36. DOI: 10.1186/S13024-019-0336-2Sidransky E., Nalls M.A., Aasly J.O. et al. Multi-center analysis of glucocerebrosidase mutations in Parkinson disease. N. Engl. J. Med. 2009;361(17):1651–1661. DOI: 10.1056/NEJMOA0901281Emelyanov A.K., Usenko T.S,. Tesson C. et al. Mutation analysis of Parkinson’s disease genes in a Russian data set. Neurobiol. Aging. 2018;71:267.e7–267.e10. DOI: 10.1016/J.NEUROBIOLAGING.2018.06.027Horowitz M., Pasmanik-Chor M., Ron I., Kolodny E.H. The enigma of the E326K mutation in acid β-glucocerebrosidase. Mol. Genet. Metab. 2011;104(1-2):35–38. DOI: 10.1016/J.YMGME.2011.07.002Montfort M., Chabás A., Vilageliu L., Grinberg D. Functional analysis of 13 GBA mutant alleles identified in Gaucher disease patients: pathogenic changes and “modifier” polymorphisms. Hum. Mutat. 2004;23(6):567–575. DOI: 10.1002/HUMU.20043Alcalay R.N., Levy O.A., Waters C.C. et al. Glucocerebrosidase activity in Parkinson’s disease with and without GBA mutations. Brain. 2015;138(Pt 9):2648–2658. DOI: 10.1093/BRAIN/AWV179Pchelina S., Emelyanov A., Baydakova G. et al. Oligomeric α-synuclein and glucocerebrosidase activity levels in GBA-associated Parkinson’s disease. Neurosci. Lett. 2017;636:70–76. DOI: 10.1016/j.neulet.2016.10.039Kopytova A.E., Usenko T.S., Baydakova G.V. et al. Could blood hexosylsphingosine be a marker for Parkinson’s disease linked with GBA1 mutations? Mov. Disord. 2022;37(8):1779–1781. DOI: 10.1002/MDS.29132Mazzulli J.R., Xu Y.H, Sun Y. et al. Gaucher disease glucocerebrosidase and α-synuclein form a bidirectional pathogenic loop in synucleinopathies. Cell. 2011;146(1):37–52. DOI: 10.1016/j.cell.2011.06.001Fredriksen K., Aivazidis S., Sharma K. et al. Pathological α-syn aggregation is mediated by glycosphingolipid chain length and the physiological state of α-syn in vivo. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2021;118(50)e2108489118. DOI: 10.1073/PNAS.2108489118/-/DCSUPPLEMENTALYap T.L., Velayati A., Sidransky E,. Lee J.C. Membrane-bound α-synuclein interacts with glucocerebrosidase and inhibits enzyme activity. Mol. Genet. Metab. 2013;108(1):56–64. DOI: 10.1016/j.ymgme.2012.11.010Mus L., Siani F., Giuliano C. et al. Development and biochemical characterization of a mouse model of Parkinson’s disease bearing defective glucocerebrosidase activity. Neurobiol. Dis. 2019;124:289–296. DOI: 10.1016/j.nbd.2018.12.001Avenali M., Cerri S., Ongari G. et al. Profiling the biochemical signature of GBA‐related Parkinson’s disease in peripheral blood mononuclear cells. Mov. Disord. 2021;36(5):1267–1272. DOI: 10.1002/mds.28496Emelyanov A., Usenko T., Nikolaev M. et al. Increased α-synuclein level in CD45+ blood cells in asymptomatic carriers of GBA mutations. Mov. Disord. 2021;36(8):1997–1998. DOI: 10.1002/MDS.28688Fernandes H.J.R., Hartfield E.M., Christian H.C. et al. ER stress and autophagic perturbations lead to elevated extracellular α-synuclein in GBA-N370S Parkinson’s iPSC-derived dopamine neurons. Stem. Cell Reports. 2016;6(3):342–356. DOI: 10.1016/j.stemcr.2016.01.013Hughes A.J., Daniel S.E., Kilford L., Lees A.J. Accuracy of clinical diagnosis of idiopathic Parkinson’s disease: a clinico-pathological study of 100 cases. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 1992;55(3):181–184. DOI: 10.1136/JNNP.55.3.181Postuma R.B., Berg D., Stern M. et al. MDS clinical diagnostic criteria for Parkinson’s disease. Mov. Disord. 2015;30(12):1591–1601. DOI: 10.1002/MDS.26424Abdelkarim H., Marshall M.S., Scesa G. et al. α-Synuclein interacts directly but reversibly with psychosine : implications for α-synucleinopathies. Sci. Rep. 2018;8(1)12462. DOI: 10.1038/s41598-018-30808-9Zunke F., Moise A.C., Belur N.R. et al. Reversible conformational conversion of α-synuclein into toxic assemblies by glucosylceramide. Neuron. 2018;97(1):92–107.e10. DOI:10.1016/j.neuron.2017.12.012Bellomo G., De Luca C.M.G., Paoletti F.P. et al. α-Synuclein seed amplification assays for diagnosing synucleinopathies: the way forward. Neurology. 2022;99(5):195–205. DOI: 10.1212/WNL.0000000000200878Shahnawaz M., Mukherjee A., Pritzkow S. et al. Discriminating α-synuclein strains in Parkinson’s disease and multiple system atrophy. Nature. 2020;578(7794):273–277. DOI: 10.1038/s41586-020-1984-7Alcalay R.N., Wolf P., Chiang M.S.R. et al. Longitudinal measurements of glucocerebrosidase activity in Parkinson’s patients. Ann. Clin. Transl Neurol. 2020;7(10):1816–1830. DOI: 10.1002/ACN3.51164Abd Elhadi S., Grigoletto J., Poli M.et al. α-Synuclein in blood cells differentiates Parkinson’s disease from healthy controls. Ann. Clin. Transl. Neurol. 2019;6(12):2426–2436. DOI: 10.1002/acn3.50944Fuchs J., Tichopad A., Golub Y. et al. Genetic variability in the SNCA gene influences alpha-synuclein levels in the blood and brain. FASEB J. 2008;22(5):1327–1334. DOI: 10.1096/fj.07-9348comMiki Y., Shimoyama S., Kon T. et al. Alteration of autophagy-related proteins in peripheral blood mononuclear cells of patients with Parkinson’s disease. Neurobiol. Aging. 2018;63:33–43. DOI: 10.1016/j.neurobiolaging.2017.11.006Barbour R., Kling K., Anderson J.P. et al. Red blood cells are the major source of alpha-synuclein in blood. Neurodegener. Dis. 2008;5(2):55–59. DOI: 10.1159/000112832Schmitt I., Kaut O., Khazneh H. et al. (2015) L-DOPA increases α-synuclein DNA methylation in Parkinson’s disease patients in vivo and in vitro. Mov. Disord. 30(13):1794–1801. DOI: 10.1002/mds.26319