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Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) have revolutionized the generation of experimental disease models, but the development of protocols for the differentiation of functionally active neuronal subtypes with defined specification is still in its infancy. While dysfunction of the brain serotonin (5-HT) system has been implicated in the etiology of various neuropsychiatric disorders, investigation of functional human 5-HT specific neurons in vitro has been restricted by technical limitations. We describe an efficient generation of functionally active neurons from hiPSCs displaying 5-HT specification by modification of a previously reported protocol. Furthermore, 5-HT specific neurons were characterized using high-end fluorescence imaging including super-resolution microscopy in combination with electrophysiological techniques. Differentiated hiPSCs synthesize 5-HT, express specific markers, such as tryptophan hydroxylase 2 and 5-HT transporter, and exhibit an electrophysiological signature characteristic of serotonergic neurons, with spontaneous rhythmic activities, broad action potentials and large afterhyperpolarization potentials. 5-HT specific neurons form synapses reflected by the expression of pre- and postsynaptic proteins, such as Bassoon and Homer. The distribution pattern of Bassoon, a marker of the active zone along the soma and extensions of neurons, indicates functionality via volume transmission. Among the high percentage of 5-HT specific neurons (~ 42%), a subpopulation of CDH13 + cells presumably designates dorsal raphe neurons. hiPSC-derived 5-HT specific neuronal cell cultures reflect the heterogeneous nature of dorsal and median raphe nuclei and may facilitate examining the association of serotonergic neuron subpopulations with neuropsychiatric disorders.
Die Entwicklung hochauflösender Fluoreszenzmikroskopiemethoden hat die Lichtmikroskopie revolutioniert. Einerseits ermöglicht die höhere erzielte räumliche Auflösung die Abbildung von Strukturen, die deutlich unterhalb der beugungsbedingten Auflösungsgrenze liegen. Andererseits erhält man durch Einzelmoleküllokalisationsmikroskopiemethoden
wie dSTORM (Direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) Informationen, welche man für quantitative Analysen heranziehen kann. Aufgrund der sich dadurch bietenden neuen Möglichkeiten, hat sich die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie rasant entwickelt und kommt mittlerweile zur Untersuchung einer Vielzahl biologischer und medizinischer Fragestellungen zum Einsatz. Trotz dieses Erfolgs ist jedoch nicht zu verleugnen, dass auch diese neuen Methoden ihre Nachteile haben. Dazu zählt die Notwendigkeit relativ hoher Laserleistungen, welche Voraussetzung für hohe Auflösung ist und bei lebenden Proben zur Photoschädigung führen kann.
Diese Arbeit widmet sich sowohl dem Thema der Photoschädigung durch Einzelmoleküllokalisationsmikroskopie,
als auch der Anwendung von dSTORM und SIM (Structured Illumination Microscopy) zur Untersuchung neurobiologischer Fragestellungen auf Proteinebene.
Zur Ermittlung der Photoschädigung wurden lebende Zellen unter typischen Bedingungen bestrahlt und anschließend für 20−24 h beobachtet. Als quantitatives Maß für den Grad der Photoschädigung wurde der Anteil sterbender Zellen bestimmt. Neben der zu erwartenden Intensitäts- und Wellenlängenabhängigkeit, zeigte sich, dass die Schwere der Photoschädigung auch von vielen weiteren Faktoren abhängt und dass sich Einzelmoleküllokalisationsmikroskopie bei Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse durchaus mit Lebendzellexperimenten vereinbaren lässt.
Ein weiteres Projekt diente der Untersuchung der A- und B-Typ-Glutamatrezeptoren an der neuromuskulären Synapse von Drosophila melanogaster mittels dSTORM. Dabei konnte eine veränderte Anordnung beider Rezeptortypen infolge synaptischer Plastizität beobachtet, sowie eine absolute Quantifizierung des A-Typ-Rezeptors durchgeführt werden.
Im Mittelpunkt eines dritten Projekts standen Cadherin-13 (CDH13) sowie der Glucosetransporter Typ 3 (GluT3), welche beide mit der Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung in Verbindung gebracht werden. CDH13 konnte mittels SIM in serotonergen Neuronen, sowie radiären Gliazellen der dorsalen Raphekerne des embryonalen Mausgehirns nachgewiesen werden. Die Rolle von GluT3 wurde in aus induzierten pluripotenten Stammzellen differenzierten Neuronen analysiert, welche verschiedene Kopienzahlvariation des für GluT3-codierenden SLC2A3-Gens aufwiesen. Die Proteine GluT3, Bassoon und Homer wurden mittels dSTORM relativ quantifiziert. Während die Deletion des Gens zu einer erwartenden Verminderung von GluT3 auf Proteinebene führte, hatte die Duplikation keinen Effekt auf die GluT3-Menge. Für Bassoon und Homer zeigte sich weder durch die Deletion noch die Duplikation eine signifikante Veränderung.
Background: During early prenatal stages of brain development, serotonin (5-HT)-specific neurons migrate through somal translocation to form the raphe nuclei and subsequently begin to project to their target regions. The rostral cluster of cells, comprising the median and dorsal raphe (DR), innervates anterior regions of the brain, including the prefrontal cortex. Differential analysis of the mouse 5-HT system transcriptome identified enrichment of cell adhesion molecules in 5-HT neurons of the DR. One of these molecules, cadherin-13 (Cdh13) has been shown to play a role in cell migration, axon pathfinding, and synaptogenesis. This study aimed to investigate the contribution of Cdh13 to the development of the murine brain 5-HT system.
Methods: For detection of Cdh13 and components of the 5-HT system at different embryonic developmental stages of the mouse brain, we employed immunofluorescence protocols and imaging techniques, including epifluorescence, confocal and structured illumination microscopy. The consequence of CDH13 loss-of-function mutations on brain 5-HT system development was explored in a mouse model of Cdh13 deficiency.
Results: Our data show that in murine embryonic brain Cdh13 is strongly expressed on 5-HT specific neurons of the DR and in radial glial cells (RGCs), which are critically involved in regulation of neuronal migration. We observed that 5-HT neurons are intertwined with these RGCs, suggesting that these neurons undergo RGC-guided migration. Cdh13 is present at points of intersection between these two cell types. Compared to wildtype controls, Cdh13-deficient mice display increased cell densities in the DR at embryonic stages E13.5, E17.5, and adulthood, and higher serotonergic innervation of the prefrontal cortex at E17.5.
Conclusion: Our findings provide evidence for a role of CDH13 in the development of the serotonergic system in early embryonic stages. Specifically, we indicate that Cdh13 deficiency affects the cell density of the developing DR and the posterior innervation of the prefrontal cortex (PFC), and therefore might be involved in the migration, axonal outgrowth and terminal target finding of DR 5-HT neurons. Dysregulation of CDH13 expression may thus contribute to alterations in this system of neurotransmission, impacting cognitive function, which is frequently impaired in neurodevelopmental disorders including attention-deficit/hyperactivity and autism spectrum disorders.
Super-resolution microscopy can unravel previously hidden details of cellular structures but requires high irradiation intensities to use the limited photon budget efficiently. Such high photon densities are likely to induce cellular damage in live-cell experiments. We applied single-molecule localization microscopy conditions and tested the influence of irradiation intensity, illumination-mode, wavelength, light-dose, temperature and fluorescence labeling on the survival probability of different cell lines 20-24 hours after irradiation. In addition, we measured the microtubule growth speed after irradiation. The photo-sensitivity is dramatically increased at lower irradiation wavelength. We observed fixation, plasma membrane permeabilization and cytoskeleton destruction upon irradiation with shorter wavelengths. While cells stand light intensities of similar to 1 kW cm\(^{-2}\) at 640 nm for several minutes, the maximum dose at 405 nm is only similar to 50 J cm\(^{-2}\), emphasizing red fluorophores for live-cell localization microscopy. We also present strategies to minimize phototoxic factors and maximize the cells ability to cope with higher irradiation intensities.