Investigation of the effects of ketogenic diet therapy in a mouse model of GM2 gangliosidosis

Abstract

GM2 gangliosidosis is an autosomal recessive lysosomal storage disorder in which GM2 ganglioside is accumulated, especially in the brain. GM2 gangliosidosis is divided into three different variants: Tay Sachs (B-variant or type I), Sandhoff (O-variant or type 2), and GM2AP deficiency (AB-variant). Accumulation of the GM2 ganglioside in brain causes disease pathology as neurodegeneration and neuroinflammation. Our lab first displayed the novel GM2 gangliosidosis type-I mouse model (Hexa-/-Neu3-/-). Compared to control, this model could survive a maximum of five-months due to severe pathologies, neurodegeneration, and neuroinflammation. The ketogenic diet is high-fat and low-carbohydrate/protein diet that triggers burning fat instead of carbohydrates. The ketogenic diet is used comprehensively in neurodegenerative disorders such as Sandhoff, Alzheimer’s, and Parkinson’s to regulate inflammation, neurodegeneration, and autophagy. In addition, elevation of CCL2 expression in Hexa-/-Neu3-/- mice resulted in increased amounts of active microglia and astrocytes. Therefore, the CCL2/CCR2 signaling inhibitor of propagermanium was used in addition to ketogenic diet. Thus, reducing neuroinflammation is aimed to be more effective as a combined therapy. In my Ph.D. thesis, expression and protein levels of autophagy and inflammation-associated genes were analyzed in the mouse brain to exhibit whether beneficial effects on autophagic flux and neuroinflammation are found after the ketogenic diet and propagermanium treatment. The pathology of the GM2 gangliosidosis mouse type-I brain was illustrated by thin-layer chromatography and immunofluorescence staining to display whether the ketogenic diet affects the ganglioside metabolism. Briefly, ketogenic diet therapy and its anti-inflammatory and neuroprotective effects were explored in the GM2 gangliosidosis mouse model.

GM2 gangliosidoz, GM2 gangliositinin özellikle beyinde biriktiği bir tür otozomal resesif lizozomal depo bozukluğudur. GM2 gangliosidoz, Tay Sachs (B varyantı veya tip I), Sandhoff (O varyantı veya tip 2) ve GM2AP eksikliği (AB varyantı) olmak üzere üç farklı varyanta bölünür. GM2 gangliositinin beyinde birikmesi, nörodejenerasyon ve nöroenflamasyon gibi hastalık patolojilerine neden olur. Özgün GM2 gangliosidosis tip I fare modeli (Hexa-/-Neu3-/-) ilk olarak laboratuvarımız tarafından sergilendi. Bu model, kontrole göre nörodejenerasyon ve nöroenflamasyon gibi ciddi patolojiler nedeniyle maksimum beş ay yaşayabilmiştir. Ketojenik diyet, karbonhidrat yerine yağ yakımını tetikleyen yüksek yağ ve düşük karbonhidrat/protein diyetidir. Ketojenik diyet, iltihabı, nörodejenerasyonu ve otofajiyi düzenlemek için Sandhoff, Alzheimer, Parkinson hastalıkları gibi nörodejeneratif rahatsızlıklarda kapsamlı bir şekilde kullanılmaktadır. Ayrıca, Hexa-/-Neu3-/- farelerinde artan CCL2 ekspresyonu, farelerde aktif mikroglia ve astrosit miktarlarında artışa sebebiyet vermiştir. Bu yüzden, ketojenik diyete ek olarak CCL2/CCR2 yolağını bozan bir inhibitör olan propagermanyum kullanılmıştır. Böylelikle, kombine terapi olarak nöroenflamasyondaki azalmanın daha etkili olması amaçlanmıştır. Doktora tezimde, ketojenik diyet ve propagermanium tedavilerinden sonra otofajik yolak ve nöroenflamasyon üzerinde faydalı etkilerin bulunup bulunmadığını göstermek için otofaji ve inflamasyonla ilişkili genlerin ekspresyon ve protein seviyeleri fare beyninde analiz edilmiştir. Ketojenik diyetin gangliosit metabolizması üzerinde herhangi bir etkisi olup olmadığını göstermek içinse, GM2 gangliosidoz tip I fare beyninin patolojisi, ince tabaka kromatografisi ve immünohistokimyasal boyamalarla gösterilmiştir. Kısaca, ketojenik diyet tedavisinin anti-enflamatuvar ve nöroprotektif etkileri, GM2 gangliosidoz fare modelinde araştırılmıştır.