Beyond Color: The Hidden Impact of Neuromelanin In The Brain
Más Allá del Color: El Impacto Oculto de la Neuromelanina en el Cerebro
Pigmented neurons and selective vulnerability
It has long been established that neurons with the highest neuromelanin levels preferentially degenerate in Parkinson’s disease, including dopaminergic neurons from the substantia nigra pars compacta and noradrenergic neurons from the locus coeruleus, whose degeneration leads to the characteristic motor and non-motor symptoms of the disease. This pigment—termed neuromelanin because of its resemblance to peripheral melanin—appears in neurons that synthesize catecholamines, like dopamine and noradrenaline, as a byproduct of its metabolism. Because neurons do not have the capacity to degrade or eliminate this pigment, neuromelanin progressively accumulates within autolysosomal vesicles over time until occupying most of the neuronal cytoplasm. Although similar pigments have been reported in some other animal species as varied as monkeys, dolphins, and frogs, the highly abundant amount of pigment is unique to humans, which in some brain areas is even visible with the naked eye.
This distinctive trait has long sparked interest as a potential vulnerability factor for neurons that are lost in Parkinson’s disease. Yet, the exact relationship between neuromelanin accumulation and neuronal vulnerability has remained speculative for decades, as most of what is known is inferred from human postmortem analyses, making it difficult to establish causal relationships. Its unique presence in the human brain and the still elusive understanding of its precise synthesis mechanisms have hindered in vivo modeling and subsequent comprehensive analyses of its accumulation for a long time.
Novel in vivo models for neuromelanin accumulationTo address this significant constraint, our research team pioneered the development of an in vivo rodent model for the accumulation of neuromelanin. We achieved this by performing stereotactic injection of adenoassociated viral vectors to overexpress the human melanogenic enzyme tyrosinase within the rodent substantia nigra. This groundbreaking model marked a significant advancement in neuromelanin research, as it represented the inaugural experimental model capable of replicating age-dependent production and accumulation of neuromelanin akin to what is observed in elderly humans (https://www.nature.com/articles/s41467-019-08858-y). Through this study, we demonstrated that the progressive intracellular accumulation of neuromelanin in rodent nigral neurons triggers nigrostriatal neurodegeneration, Lewy body-like pathology and motor deficits.
Beyond the substantia nigra: unraveling the full impact
In recent years, research has unveiled an essential aspect of Parkinson's disease: it is not confined solely to the nigral dopaminergic system, nor is it exclusively a motor disorder. Instead, it affects multiple neuronal systems and manifests a wide array of non-motor and peripheral symptoms. Furthermore, pigmentation within the human brain is not exclusive to the substantia nigra but is present also in the catecholaminergic neurons of the locus coeruleus and dorsal vagal complex, which are also affected in the disease.
To address this broader complexity, we have now generated a new transgenic animal model to reproduce the exact pigmentation distribution of the human brain. This new animal model, termed tgNM, constitutively expresses tyrosinase in catecholaminergic neurons, resulting in progressive neuromelanin accumulation within all catecholaminergic regions, mirroring the age-dependent distribution of pigmentation observed in the human brain (https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.08.08.552400v1).
The novel neuromelanin-producing mice manifest a wide array of symptoms, covering both motor and non-motor domains, including peripheral changes such as alterations in motor balance, olfaction, sleep patterns, emotional memory, vocalization, cardiovascular function, and respiratory function. In parallel to neuromelanin accumulation, the main pigmented catecholaminergic systems in the brain reveal dysfunctional phenotypes. Dopaminergic dysfunction becomes evident with a decrease in tyrosine hydroxylase expression and decreased release of dopamine in the striatum. Noradrenergic neurodegeneration in the pigmented locus coeruleus is detected early in tgNM mice, mirroring the known noradrenergic system disruptions seen in the disease. Remarkably, the alterations in neuromelanin-producing mice extend beyond the pigmented systems. The cholinergic systems in the nucleus basalis of Meynert and the pedunculopontine nucleus are also affected possibly due to its connections to the pigmented regions undergoing degeneration.
Of significance, while absent in wild-type mice, tgNM mice exhibit intracytoplasmic Lewy body-like inclusions, stained positive for synuclein and p62, in all the main catecholaminergic regions and exclusively in pigmented neurons. Interestingly, increased neuroinflammatory markers (microglia and astroglia) are detected early in tgNM, prior to overt neuronal dysfunction, possibly associated with an incipient release of extraneuronal neuromelanin granules. Lastly, transcriptomic profiles in pigmented regions, when compared to age-matched non-pigmented regions, reveal neuromelanin-specific transcriptomic alterations. These changes correlate with previously published human postmortem Parkinson’s disease transcriptomic profiles and include changes in neuroinflammation, transcription, translation, and proteasomal and mitochondrial functions.
In conclusion, this study demonstrates that brain-wide pigmentation, as observed in humans, is sufficient to ultimately trigger a progressive neurodegenerative phenotype. This process affects numerous neurotransmission systems in the brain (dopaminergic, noradrenergic, and cholinergic) and tissues in the body (vagal-innervated peripheral organs), resulting in a myriad of motor and non-motor symptoms, including peripheral alterations. These symptoms are all reminiscent of what is observed in the prodromal and early stages of Parkinson’s disease.
Overall, the novel tgNM mouse model, now available to the scientific community, provides the opportunity to experimentally test potential therapeutic strategies in a human-relevant context. The failure, to date, of many rodent model-based findings to translate to clinical utility in the context of age-related neurodegenerative disease strengthens the importance of introducing into in vivo research a human factor so intimately linked to brain aging and neurodegeneration such as neuromelanin.
Neuronas pigmentadas y vulnerabilidad neuronal
Hace tiempo se estableció que las neuronas con altos niveles de neuromelanina son las más susceptibles a degenerar en la enfermedad de Parkinson, incluyendo las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra pars compacta y las noradrenérgicas del locus coeruleus, cuya degeneración causa los distintivos síntomas motores y no motores de la enfermedad. Este pigmento, denominado neuromelanina debido a su similitud con la melanina periférica, aparece en las neuronas que sintetizan catecolaminas, como la dopamina y la noradrenalina, como un subproducto de su metabolismo. Debido a que las neuronas no tienen la capacidad de degradar o eliminar este pigmento, la neuromelanina se acumula progresivamente con el tiempo, hasta ocupar la mayor parte del citoplasma neuronal. Aunque algunos pigmentos similares se han descrito en otras especies animales tan diversas como monos, delfines y ranas, la abundante cantidad de pigmento es única en los humanos, siendo visible a simple vista en algunas áreas del cerebro.
Durante mucho tiempo, esta característica tan distintiva ha sido considerada como un posible factor de vulnerabilidad para las neuronas que degeneran en la enfermedad de Parkinson. Sin embargo, la relación exacta entre la acumulación de neuromelanina y la vulnerabilidad neuronal ha permanecido especulativa durante décadas, ya que gran parte de nuestro conocimiento se infiere a partir de muestras humanas postmortem, lo que dificulta establecer relaciones causales. La presencia única de la neuromelanina en el cerebro humano y la aún elusiva comprensión de sus mecanismos de síntesis han dificultado la modelación in vivo y, por consiguiente, el análisis exhaustivo de los efectos de su acumulación.
Nuevos modelos in vivo para la acumulación de neuromelanina
Para abordar esta limitación significativa, nuestro grupo de investigación desarrolló por primera vez un modelo in vivo para la acumulación de neuromelanina inyectando vectores virales adenoasociados para sobreexpresar la enzima tirosinasa humana en la sustancia negra de roedores. Este modelo innovador marcó un avance significativo en la investigación de la neuromelanina, ya que representó el primer modelo experimental in vivo capaz de replicar la producción y acumulación progresiva de neuromelanina (https://www.nature.com/articles/s41467-019-08858-y). A través de este estudio, demostramos que la acumulación progresiva de neuromelanina en las neuronas de la sustancia negra de roedores causa neurodegeneración nigroestriatal, inclusiones similares a los cuerpos de Lewy y déficits motores.
Más allá de la sustancia negra: descifrando el impacto completo
En los últimos años, se ha descrito con más detalle un aspecto esencial de la enfermedad de Parkison: no se limita únicamente al sistema dopaminérgico, ni es exclusivamente un trastorno motor, sino que afecta a múltiples sistemas neuronales y presenta una amplia gama de síntomas no motores y periféricos. Además, la pigmentación en el cerebro humano no se limita exclusivamente a la sustancia negra, sino que también está presente en las neuronas catecolaminérgicas del locus coeruleus y el complejo dorsal del vago, áreas que también se ven afectadas en esta enfermedad.
Para abordar esta complejidad, hemos generado un nuevo modelo animal transgénico, denominado tgNM, que expresa de manera constitutiva la tirosinasa en todas las neuronas catecolaminérgicas, dando como resultado una acumulación progresiva de neuromelanina en todas las regiones catecolaminérgicas. Este nuevo modelo animal replica la distribución de pigmentación que se observa en el cerebro humano envejecido (https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.08.08.552400v1).
Estos nuevos ratones productores de neuromelanina manifiestan una amplia variedad de síntomas que abarcan tanto dominios motores como no motores, como alteraciones en el equilibrio, el olfato, los patrones de sueño, la memoria emocional, la vocalización, la función cardiovascular y la función respiratoria. Paralelamente a la acumulación de neuromelanina, los principales sistemas catecolaminérgicos pigmentados en el cerebro revelan fenotipos disfuncionales. La disfunción dopaminérgica se hace evidente con una disminución en la expresión de la tirosina hidroxilasa y una disminución en la liberación de dopamina en el estriado. La neurodegeneración noradrenérgica en el locus coeruleus se detecta de forma temprana en los ratones tgNM, replicando las alteraciones del sistema noradrenérgico observadas en la enfermedad. Curiosamente, la disfunción neuronal se extiende más allá de los sistemas pigmentados. Los sistemas colinérgicos del núcleo basal de Meynert y el núcleo pedúnculopontino también se ven afectados, posiblemente debido a sus conexiones con las regiones pigmentadas que presentan neurodegeneración.
De manera significativa, los ratones tgNM exhiben inclusiones intracitoplasmáticas similares a los cuerpos de Lewy, con sinucleína y p62, en todas las principales regiones catecolaminérgicas y exclusivamente en neuronas pigmentadas. Curiosamente, los ratones tgNM presentan marcadores neuroinflamatorios (microglía y astrocitos) antes de la disfunción neuronal, posiblemente asociados con una liberación incipiente de gránulos extraneuronales de neuromelanina. Por último, los perfiles transcriptómicos en las regiones pigmentadas, cuando se comparan con las regiones no pigmentadas de la misma edad, revelan alteraciones transcriptómicas específicas de la acumulación de neuromelanina. Estos cambios correlacionan con perfiles transcriptómicos de muestras postmortem de la enfermedad de Parkinson e incluyen cambios en la neuroinflamación, la transcripción, la traducción, y las funciones del proteosoma y de la mitocondria.
En resumen, este último estudio demuestra que la pigmentación cerebral generalizada, como la que se observa en humanos, desencadena un fenotipo neurodegenerativo progresivo. Este proceso afecta a numerosos sistemas de neurotransmisión en el cerebro (dopaminérgico, noradrenérgico y colinérgico) y tejidos en el cuerpo (órganos periféricos inervados por el vago), dando como resultado una miríada de síntomas motores y no motores. Estos síntomas son reminiscentes de lo observado en las etapas prodrómicas y tempranas de la enfermedad de Parkinson.
En general, el nuevo modelo de ratón tgNM, ahora disponible para la comunidad científica, brinda la oportunidad de probar experimentalmente estrategias terapéuticas potenciales en un contexto relevante para los humanos. El fracaso, hasta la fecha, de traducir hallazgos en roedores a utilidad clínica en el contexto de enfermedades neurodegenerativas relacionadas con la edad, refuerza la importancia de introducir en la investigación in vivo un factor humano tan íntimamente ligado al envejecimiento cerebral y la neurodegeneración como la neuromelanina.
Clarified tgNM mouse brain with neuromelanin seen as a dark-brown pigment.
Núria Peñuelas, PhD presentó su trabajo como parte de una visita guiada de carteles durante su presentación en el WPC 2023. En ese momento, era investigadora postdoctoral en el Instituto de Investigación Vall d'Hebron, Barcelona, España.
𝕏: @NuriaPenuelas
Las ideas y opiniones expresadas en este post reflejan exclusivamente las de la autora. No reflejan las opiniones o posiciones de la World Parkinson Coalition®
Núria Peñuelas, PhD presented her work as part of a guided poster tour at the while presenting at the WPC 2023. At the time, she was a postdoctoral researcher at the Vall d'Hebron Research Institute, Barcelona, Spain.
𝕏: @NuriaPenuelas
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