TY  - THES
A1  - Deng, Chunchu
T1  - Dynamic remodeling of endoplasmic reticulum and ribosomes in axon terminals of wildtype and Spinal Muscular Atrophy motoneurons
T1  - Dynamische Reorganization des endoplasmatischen Retikulums und der Ribosomen in Axonterminalen von Wildtyp- und Spinaler Muskelatrophie Motoneuronen
N2  - In highly polarized neurons, endoplasmic reticulum (ER) forms a dynamic and continuous network in axons that plays important roles in lipid synthesis, Ca2+ homeostasis and the maintenance of synapses.  However, the mechanisms underlying the regulation of axonal ER dynamics and its function in regulation of local translation still remain elusive. In the course of my thesis, I investigated the fast dynamic movements of ER and ribosomes in the growth cone of wildtype motoneurons as well as motoneurons from a mouse model of Spinal Muscular Atrophy (SMA), in response to Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) stimulation. Live cell imaging data show that ER extends into axonal growth cone filopodia along actin filaments and disruption of actin cytoskeleton by cytochalasin D treatment impairs the dynamic movement of ER in the axonal filopodia. In contrast to filopodia, ER movements in the growth cone core seem to depend on coordinated actions of the actin and microtubule cytoskeleton. Myosin VI is especially required for ER movements into filopodia and drebrin A mediates actin/microtubule coordinated ER dynamics. Furthermore, we found that BDNF/TrkB signaling induces assembly of 80S ribosomes in growth cones on a time scale of seconds. Activated ribosomes relocate to the presynaptic ER and undergo local translation. These findings describe the dynamic interaction between ER and ribosomes during local translation and identify a novel potential function for the presynaptic ER in intra-axonal synthesis of transmembrane proteins such as the α-1β subunit of N-type Ca2+ channels in motoneurons. In addition, we demonstrate that in Smn-deficient motoneurons, ER dynamic movements are impaired in axonal growth cones that seems to be due to impaired actin cytoskeleton. Interestingly, ribosomes fail to undergo rapid structural changes in Smn-deficient growth cones and do not associate to ER in response to BDNF. Thus, aberrant ER dynamics and ribosome response to extracellular stimuli could affect axonal growth and presynaptic function and maintenance, thereby contributing to the pathology of SMA.
N2  - Das Endoplasmatische Retikulum (ER) bildet ein dynamisches und kontinuierliches Netzwerk in Axonen von stark polarisierten Neuronen und spielt dabei eine wichtige Rolle in der Lipidsynthese, dem Ca2+ Homöostase und der Aufrechterhaltung von Synapsen. Allerding sind die Mechanismen, die der Regulierung der axonalen ER-Dynamik und seiner Funktion bei der dynamischen Regulierung der lokalen Translation zugrunde liegen, nicht vollständig aufgeklärt. Im Rahmen meiner Dissertation habe ich die schnellen dynamischen Bewegungen des ERs und Ribosomen in Wachstumskegeln von Wildtyp- und Smn-defizienten Motoneuronen als Reaktion auf einen kurzen Puls von Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) untersucht. Daten der Bildgebung lebender Zellen zeigen, dass sich das ER in axonalen Filopodien des Wachstumskegels entlang von Aktin-Filamenten ausbreitet. Die Beeinträchtigung des Aktin-Zytoskeletts mittels Cytochalasin D Behandlung führt zu einer Einschränkung der dynamischen Bewegung des ERs in den axonalen Filopodien. Im Gegensatz zu den Filopodien scheinen die Bewegungen des ERs in Wachstumskegeln von einem koordinierten Zusammenspiel des Aktin- und Mikrotubuli- Zytoskeletts zu beruhen. Myosin VI ist insbesondere für die ER-Bewegungen in Filopodien erforderlich, während Drebrin A die Aktin/Mikrotubuli koordinierte ER-Dynamik vermittelt. Darüber hinaus zeigte sich, dass das BDNF/TrkB Signal die Bildung von 80S-Ribosomen in Wachstumskegeln in Sekundenschnelle auslöst. Aktivierte Ribosomen verlagern sich in das präsynaptische ER und vollziehen eine lokale Translation. Diese Ergebnisse beschreiben die dynamische Interaktion zwischen ER und Ribosomen während der lokalen Translation und zeigen eine neuartige potentielle Funktion des präsynaptischen ER bei der intra-axonalen Synthese von Transmembranproteinen wie die α-1β Untereinheit der N-Typ Ca2+ Kanäle in Motoneuronen auf. Darüber hinaus zeigen wir, dass in Smn-defizienten Motoneuronen die dynamischen ER-Bewegungen in axonalen Wachstumskegeln beeinträchtigt sind, was mit einer gestörten Polymerisation von Aktinfilamenten zusammenzuhängen scheint. Interessanterweise erfahren Ribosomen in Smn-defizienten Wachstumskegeln keine schnellen strukturellen Veränderungen und assoziieren nicht mit dem ER als Reaktion auf BDNF. Somit könnten eine abweichende ER-Dynamik und die Reaktion der Ribosomen auf extrazelluläre Reize das axonale Wachstum und die präsynaptische Funktion und Aufrechterhaltung beeinträchtigen und damit zur Pathologie von SMA beitragen.
KW  - Motoneuron
KW  - Endoplasmatisches Retikulum
KW  - Ribosom
KW  - Brain-derived neurotrophic factor
KW  - Spinale Muskelatrophie
KW  - ER dynamics in axon terminals
KW  - Dynamics of ribosome assembly
KW  - BDNF stimulation
KW  - Spinal Muscular Atrophy
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-264954
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hennlein, Luisa
T1  - Plastin 3 rescues defective cell surface translocation and activation of TrkB in mouse models for spinal muscular atrophy
T1  - Plastin 3 kompensiert die defekte Zelloberflächen-Translokation und Aktivierung von TrkB in Mausmodellen für spinale Muskelatrophie
N2  - Spinal muscular atrophy (SMA) is a genetic pediatric condition that affects lower motoneurons leading to their degeneration and muscle weakness. It is caused by homozygous loss or mutations in the Survival Motor Neuron 1 (SMN1) gene; however, the pathomechanism leading to motoneuron degeneration is not fully resolved. Cultured embryonic SMA motoneurons display axon elongation and differentiation defects accompanied by collapsed growth cones with a disturbed actin cytoskeleton. Intriguingly, motoneurons cultured from mice deficient for the Tropomyosin-kinase receptor B (TrkB), exhibit similar pathological features. Thus, the question arises whether SMA motoneurons suffer from defective Brain-derived neurotrophic factor (BDNF)/TrkB signaling and whether there is a link to the disturbed actin cytoskeleton. In the recent years, modifier genes such as Plastin 3 (PLS3) were shown to beneficially interfere with SMA pathology. Nevertheless, the mechanism of how the actin-bundler PLS3 counteracts SMN deficiency is not well understood. In this study, we investigated TrkB localization and its activation in cultured SMA motoneurons and neuromuscular junctions (NMJs). While TrkB levels are only mildly affected locally in axon terminals, BDNF-mediated TrkB phosphorylation was massively disturbed. The activity-dependent TrkB translocation to the cell surface and its activation via BDNF were shown to be Pls3-dependent processes, that can be abolished by knockdown of Pls3. In contrast, PLS3 overexpression in SMA motoneurons rescued the defects on morphological and functional level. In particular, the relocation of TrkB to the cell surface after BDNF-induced internalization is disturbed in SMA, which is based on an actin-dependent TrkB translocation defect from intracellular stores. Lastly, AAV9-mediated PLS3 overexpression in vivo in neonatal SMA mice provided further evidence for the capacity of PLS3 to modulate actin dynamics necessary for accurate BDNF/TrkB signaling. In conclusion, we provide a novel role for PLS3 in mediating proper alignment of transmembrane proteins as prerequisite for their appropriate functioning. Hence, PLS3 is required for a key process indispensable for the development and function of motoneurons even beyond the context of SMA.
N2  - Die spinale Muskelatrophie (SMA) ist eine Erkrankung der unteren Motoneurone, die zu deren Degeneration und Muskelschwund führt. Ausgelöst wird sie durch Verlust oder Mutation des Survival Motor Neuron 1 Gens. Kultivierte embryonale Motoneurone von SMA Mäusen zeigen eine veränderte zelluläre Differenzierung, sowie kollabierte Wachstumskegel und ein gestörtes Aktin Zytoskelett. Interessanterweise zeigen Motoneurone mit einem Verlust des Tropomyosinrezeptorkinase B (TrkB) die gleichen zellulären Dysregulationen. Daher stellte sich die Frage, ob SMA Motoneurone eine Störung der Brain-derived neurotrophic factor (BDNF)/TrkB Signalkaskade entwickeln, die auf einem gestörten Aktin Zytoskelett beruht. Studien der letzten Jahre haben gezeigt, dass modifizierende Gene wie Plastin 3 (PLS3) eine schützende Wirkung auf die SMA Pathophysiologie haben. Allerdings ist der genaue Mechanismus, inwieweit PLS3 F-Aktin-gesteuerte Prozesse reguliert nicht gut verstanden. In dieser Studie haben wir die Lokalisierung und Aktivierbarkeit von TrkB in Motoneuronen und Endplatten von SMA Mäusen untersucht. Obwohl die Lokalisierung von TrkB nur wenig verändert ist, war die Aktivierung von TrkB via BDNF in den Axonterminalen stark beeinträchtigt. Außerdem stellten sich die aktivitätsabhängige TrkB Translokation zur Plasmamembran, als auch dessen BNDF-induzierte Phosphorylierung als Pls3-abhängige Prozesse heraus, die durch Pls3 Knockdown inhibiert werden konnten. Im Gegensatz dazu, bewirkt die PLS3 Überexpression in SMA Motoneuronen eine Wiederherstellung der morphologischen und funktionellen Defekte. Vor allem die gestörte Re-Lokalisierung von TrkB an die Zellmembran nach BDNF-Stimulation, welches auf einer defekten Translokation aus intrazellulären Speichern basiert, konnte durch PLS3 Überexpression verbessert wird. Des Weiteren brachte die Viren-basierte PLS3 Überexpression in SMA Mäusen weitere Beweise für die Fähigkeit von PLS3, die Aktin Dynamik zu regulieren. Zusammenfassend zeigen die Daten eine neue Rolle von PLS3 für die korrekte Anordnung von Transmembranproteinen, als Grundvoraussetzung für deren Funktionalität.  Somit wird PLS3 für Schlüsselprozesse benötigt, die für die Entwicklung und Funktion von Motoneuronen, auch über den Kontext von SMA hinaus, unverzichtbar sind.
KW  - Spinale Muskelatrophie
KW  - Brain-derived neurotrophic factor
KW  - Rezeptor-Tyrosinkinasen
KW  - Motoneuron-Krankheit
KW  - Zellskelett
KW  - Plastin 3
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-298793
PB  - Journal of Cell Biology
ER  - 
TY  - THES
A1  - Surrey, Verena
T1  - Identification of affected cellular targets, mechanisms and signaling pathways in a mouse model for spinal muscular atrophy with respiratory distress type 1 (SMARD1)
T1  - Identifizierung betroffener zellulärer Zielmoleküle, Mechanismen und Signalwege in einem Maus-Modell für spinale Muskelatrophie mit Ateminsuffizienz Typ 1 (SMARD1)
N2  - Spinal muscular atrophy with respiratory distress type 1 (SMARD1) is a fatal monogenic motoneuron disease in children with unknown etiology caused by mutations in the immunoglobulin μ-binding protein 2 (IGHMBP2) gene coding for DNA/RNA ATPase/helicase. Despite detailed knowledge of the underlying genetic changes, the cellular mechanisms leading to this disease are not well understood. In the Nmd2J ("neuromuscular disorder") mouse, the mouse model for the juvenile form of SMARD1 patients, in which similar pathological features as diaphragmatic paralysis and skeletal muscle atrophy are observed. Ex vivo studies in Nmd2J mice showed that loss of the motor axon precedes atrophy of the gastrocnemius muscle and does not correlate with neurotransmission defects in the motor endplate. The already described independent myogenic anomalies in the diaphragm and heart of the Nmd2J mouse raised the question whether spinal motoneuron degeneration develops cell autonomously. Ighmbp2 is predominantly localized in the cytoplasm and seems to bind to ribosomes and polysomes, suggesting a role in mRNA metabolism.
In this Ph.D. thesis, morphological and functional analyses of isolated Ighmbp2-deficient (Ighmbp2-def.) motoneurons were performed to answer the question whether the SMARD1 phenotype results from dysregulation of protein biosynthesis. Ighmbp2-deficient motoneurons show only negligible morphological alterations with respect to a slight increase in axonal branches. This observation is consistent with only minor changes of transcriptome based on RNA sequencing data from Ighmbp2-deficient motoneurons. Only the mRNA of fibroblast growth factor receptor 1 (Fgfr1) showed significant up-regulation in Ighmbp2-deficient motoneurons. Furthermore, no global aberrations at the translational level could be detected using pulsed SILAC (Stable Isotope Labeling by Amino acids in cell culture), AHA (L-azidohomoalanine) labeling and SUnSET (SUrface SEnsing of Translation) methods. However, a reduced β-actin protein level was observed at the growth cones of Ighmbp2-deficient motoneurons, which was accompanied with a reduced level of Imp1 protein, a known β-actin mRNA interactor. Live-cell imaging studies using fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) showed translational down-regulation of eGFPmyr-β-actin 3'UTR mRNA in the growth cones and the cell bodies, although the amount of β-actin mRNA and the total protein amount in Ighmbp2-deficient motoneurons showed no aberrations. This compartment-specific reduction of β-actin protein occurred independently of a non-existent direct IGHMBPF2 binding to β-actin mRNA. Fgfr1, which was upregulated on the RNA level, did not show an increased protein amount in Ighmbp2-deficient motoneurons, whereas a reduced amount could be detected. Interestingly, a correlation could be found between the reduced amount of the Imp1 protein and the increased Fgfr1 mRNA, since the IMP1 protein binds the FGFR1 mRNA and thus could influence the transport and translation of FGFR1 mRNA. In summary, all data suggest that Ighmbp2 deficiency leads to a local but modest disturbance of protein biosynthesis, which might contribute to the motoneuron defects of SMARD1.
N2  - Die spinale Muskelatrophie mit Atemnot Typ 1 (SMARD1) ist eine tödliche, monogene Motoneuron-Erkrankung bei Kindern mit unbekannter Ätiologie. SMARD1 wird durch Mutationen im Immunoglobulin µ-bindenden Protein 2 (IGHMBP2)-Gen verursacht, welches für eine DNA/RNA ATPase/Helikase kodiert. Trotz detaillierter Kenntnisse über die zugrunde liegenden genetischen Veränderungen sind die zellulären Mechanismen, die zu dieser Krankheit führen, nicht gut verstanden. In der Nmd2J („neuromuscular disorder“) Maus, dem Mausmodell für die juvenile Form von SMARD1-Patienten, werden ähnliche pathologische Merkmale wie Diaphragma-Lähmung und Skelettmuskelatrophie beobachtet. Ex vivo-Studien an Nmd2J-Mäusen zeigten, dass der Verlust des motorischen Axons einer Atrophie des Gastrocnemius-Muskels vorausgeht und nicht mit Neurotransmissionsfehlern an der motorischen Endplatte korreliert. Die bereits beschriebenen, unabhängig auftretenden myogenen Anomalien in Zwerchfell und Herz der Nmd2J-Maus führten zu der Frage, ob sich die spinale Motoneuron-Degeneration zellautonom entwickelt. Ighmbp2 ist prädominant im Zytoplasma lokalisiert und scheint an Ribosomen und Polysomen zu binden, was auf eine Rolle im mRNA-Stoffwechsel hindeutet.
In dieser Doktorarbeit wurden morphologische und funktionelle Analysen von isolierten Ighmbp2-defizienten (Ighmbp2-def.) Motoneuronen durchgeführt, um die Frage zu beantworten, ob der SMARD1-Phänotyp aus der Deregulierung der Proteinbiosynthese resultiert. Ighmbp2-defiziente Motoneuronen weisen nur geringfügige morphologische Unterschiede hinsichtlich einer leichten Zunahme der axonalen Verzweigungen auf. Diese Beobachtung steht im Einklang mit nur geringen Veränderungen im Transkriptom basierend auf den RNA-Sequenzierungs-Daten in Ighmbp2-defizienten Motoneuronen. Ausschließlich die mRNA des Fibroblasten-Wachstumsfaktor-Rezeptor 1 (Fgfr1) zeigte eine signifikante Hoch-Regulation in Ighmbp2-defizienten Motoneuronen. Des Weiteren konnten keine globalen Aberrationen auf der translationalen Ebene mit Hilfe der gepulsten SILAC (Stable Isotope Labeling by Amino acids in der Zellkultur), AHA (L-Azidohomoalanin)-Markierung und der SUnSET (SUrface SEnsing of Translation) Methoden ermittelt werden. Jedoch konnte eine verringerte β-actin Proteinmenge an den Wachstumskegeln von Ighmbp2-defizienten Motoneuronen beobachtet werden, die von einer Reduktion an Imp1 Protein, einem bekannten β-actin mRNA Interaktor, begleitet wurde. Lebendzell-Bildgebungsstudien mittels Fluoreszenz-Recovery after Photobleaching (FRAP) Untersuchung zeigten eine translatorische Herunter-Regulation der eGFPmyr-β-actin 3‘UTR mRNA in Wachstumskegeln und Zellkörpern, obwohl die Menge an β-actin mRNA und die Gesamt-Proteinmenge in Ighmbp2-defizienten Motoneuronen im Vergleich zu wildtypischen Motoneuronen unverändert war. Diese Kompartiment-spezifische Reduktion von β-actin Protein trat unabhängig von einer nicht vorhandenen direkten IGHMBP2-Bindung an die β-actin mRNA auf. Der auf RNA Ebene hochregulierte Fgfr1 zeigte hingegen keine erhöhte, aber eine verringerte Proteinmenge in Ighmbp2-defizienten Motoneuronen. Interessanterweise konnte ein Zusammenhang zwischen der reduzierten Menge des Imp1 Proteins und der erhöhten FGFR1 mRNA gezogen werden. Da das IMP1 Protein neben der β-actin mRNA ebenfalls die FGFR1 mRNA bindet, könnte es so den Transport und die Translation beeinflussen.
Alle Daten deuten zusammenfassend daraufhin, dass Ighmbp2-Mangel zu einer lokalen und geringen Störung der Proteinbiosynthese führt, die aber durchaus zu den beobachteten Motoneuron-Defekten in SMARD1 beitragen könnte.
KW  - Spinale Muskelatrophie
KW  - Ighmbp2
KW  - Maus
KW  - RNA helicase
KW  - IMP1/ZBP1
KW  - SMARD1
KW  - motoneuron
KW  - translation
KW  - Signalkette
KW  - Molekularbiologie
KW  - Atmungsinsuffizienz
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-176386
ER  - 
TY  - THES
A1  - Saal, Lena
T1  - Whole transcriptome profiling of compartmentalized motoneurons
T1  - Globale Transkriptomanalyse von kompartimentierten Motoneuronen
N2  - Spinal muscular atrophy and amyotrophic lateral sclerosis are the two most common devastating motoneuron diseases. The mechanisms leading to motoneuron degeneration are not resolved so far, although different hypotheses have been built on existing data. One possible mechanism is disturbed axonal transport of RNAs in the affected motoneurons. The underlying question of this study was therefore to characterize changes in transcript levels of distinct RNAs in cell culture models of spinal muscular atrophy and amyotrophic lateral sclerosis, especially in the axonal compartment of primary motoneurons.
To investigate this in detail we first established compartmentalized cultures of Primary mouse motoneurons. Subsequently, total RNA of both compartments was extracted
separately and either linearly amplified and subjected to microarray profiling or whole transcriptome amplification followed by RNA-Sequencing was performed. To make
the whole transcriptome amplification method suitable for compartmentalized cultures, we adapted a double-random priming strategy. First, we applied this method
for initial optimization onto serial dilutions of spinal cord RNA and later on to the compartmentalized motoneurons.
Analysis of the data obtained from wildtype cultures already revealed interesting results. First, the RNA composition of axons turned out to be highly similar to the somatodendritic compartment. Second, axons seem to be particularly enriched for transcripts related to protein synthesis and energy production. In a next step we
repeated the experiments by using knockdown cultures. The proteins depleted hereby are Smn, Tdp-43 and hnRNP R. Another experiment was performed by knocking down the non-coding RNA 7SK, the main interacting RNA of hnRNP R.
Depletion of Smn led to a vast number of deregulated transcripts in the axonal and somatodendritic compartment. Transcripts downregulated in the axons upon Smn depletion were especially enriched for GOterms related to RNA processing and encode proteins located in neuron projections including axons and growth cones.
Strinkingly, among the upregulated transcripts in the somatodendritic compartment we mainly found MHC class I transcripts suggesting a potential neuroprotective role.
In contrast, although knockdown of Tdp-43 also revealed a large number of downregulated transcripts in the axonal compartment, these transcripts were mainly
associated with functions in transcriptional regulation and RNA splicing. For the hnRNP R knockdown our results were again different. Here, we observed
downregulated transcripts in the axonal compartment mainly associated with regulation of synaptic transmission and nerve impulses. Interestingly, a comparison between deregulated transcripts in the axonal compartment of both hnRNP R and 7SK knockdown presented a significant overlap of several transcripts suggesting
some common mechanism for both knockdowns.
Thus, our data indicate that a loss of disease-associated proteins involved in axonal RNA transport causes distinct transcriptome alterations in motor axons.
N2  - Spinale Muskelatrophie und Amyotrophe Lateralsklerose zählen zu den beiden häufigsten und schwersten Motoneuronerkrankungen. Der zugrunde liegende
Mechanismus beider Krankheiten ist bis heute nicht geklärt, dennoch werden verschiedene Theorien diskutiert. Ein möglicher Grund ist ein gestörter axonaler
Transport von RNAs in den betroffenen Motoneuronen. Daraus folgernd ergab sich die zugrunde liegende Frage dieser Arbeit, ob Veränderungen in den
Transkriptleveln bestimmter RNAs unter krankheitsähnlichen Bedingungen vor allem im axonalen Kompartiment von primären Maus-Motoneuronen beobachtet werden können.
Um die Fragestellung genauer zu untersuchen, etablierten wir zuerst kompartimentierte Kulturen von primären Motoneuronen. Darauffolgend haben wir die totale RNA aus beiden Kompartimenten separat extrahiert und entweder diese linear amplifiziert und zur Microarrayanalyse gegeben oder wir führten eine Amplifikation des kompletten Transkriptoms mit anschließender RNA-Sequenzierung durch. Um die Amplifikation des kompletten Transkriptoms auch für die kompartimentierten Kulturen geeignet zu machen, verwendeten wir eine doublerandom
priming Strategie und haben diese entsprechend angepasst. Zuerst wendeten wir die Methode an Serienverdünnungen von RNA aus dem Rückenmark an, um die Methode zu optimisieren. Später benutzten wir die Methode ebenfalls für kompartimentierte Motoneurone.
Schon die Analyse der Wildtyp-Daten lieferte interessante Ergebnisse. Erstens, die Zusammensetzung der RNA in Axonen war höchst ähnlich zu der im somatodendritischen Kompartiment. Zweitens, in Axonen scheinen speziell
Transkripte angereichert zu sein, welche mit Proteinsynthese und Energieproduktion in Verbindung stehen. In einem nächsten Schritt wurden dann die Experimente unter Verwendung von Knockdown-Kulturen wiederholt. Die Proteine, die dabei vermindert
wurden waren Smn, Tdp-43 und hnRNP R. Ein weiteres Experiment wurde durchgeführt indem die nicht-codierende RNA 7SK verringert wurde. Die Depletion
von Smn führte zu einer hohen Anzahl an deregulierten Transkripten sowohl im axonalen, als auch im somatodendritischen Kompartiment. Transkripte, die im
axonalen Kompartiment nach Smn Depletion verringert waren, waren überwiegend für GOTerms angereichert, welche mit RNA Prozessierung in Verbindung stehen oder welche Proteine codieren, die in neuronalen Fortsätzen, einschließlich Axon und Wachstumskegel lokalisiert sind. Bemerkenswert ist, dass wir unter den
hochregulierten Transkripten im somatodendritischen Kompartiment überwiegend MHC Klasse I Transkripte gefunden haben. Dies könnte eine mögliche
neuroprotektive Rolle dieser Transkripte annehmen lassen. Im Gegensatz zu den Ergebnissen beim Smn Knockdown fanden wir beim Tdp-43 Knockdown ebenfalls eine große Anzahl an herunterregulierten Transkripten im axonalen Kompartiment,
diese sind allerdings überwiegend mit Funktionen in der Transkriptionsregulierung und beim RNA Splicing assoziiert. Die Ergebnisse des hnRNP R Knockdowns waren
ebenfalls unterschiedlich. Bei diesem fanden wir die herunteregulierten Transkripte im axonalen Kompartiment überwiegend mit einer Regulierung der synaptischen
Übertragung sowie mit Nervenimpulsen assoziiert. Interessanterweise zeigte ein Vergleich der deregulierten Transkripte sowohl im axonalen Kompartiment vom
hnRNP R Knockdown, als auch vom 7SK Knockdown eine signifikante Übereinstimmung mehrerer Transkripte. Dies lässt einen teilweise gemeinsamen Mechanismus für beide Genprodukte vermuten.
Somit deuten unsere Daten darauf hin, dass ein Verlust von krankheitsassoziierten Proteinen, die eine Rolle beim axonalen RNA-Transport spielen, zu verschiedenen
Transkriptomveränderungen in Axonen von Motoneuronen führt.
KW  - Axon
KW  - Motoneuron
KW  - Spinale Muskelatrophie
KW  - amyotrophic lateral sclerosis
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-140006
ER  - 
TY  - THES
A1  - Moradi, Mehri
T1  - Differential roles of α-, β- and γ-actin isoforms in regulation of cytoskeletal dynamics and stability during axon elongation and collateral branch formation in motoneurons
T1  - Rolle der α-, β- und γ-Aktin Isoformen bei Regulation von Dynamik und Stabilität des Zytoskeletts während des Axonwachstums und beim Ausbilden von axonalen Verzweigungen in Motoneuronen
N2  - In highly polarized cells like neurons, cytoskeleton dynamics play a crucial role in establishing neuronal connections during development and are required for adult plasticity. Actin turnover is particularly important for neurite growth, axon path finding, branching and synaptogenesis. Motoneurons establish several thousand branches that innervate neuromuscular synapses (NMJs). Axonal branching and terminal arborization are fundamental events during the establishment of synapses in motor endplates. Branching process is triggered by the assembly of actin filaments along the axon shaft giving rise to filopodia formation. The unique contribution of the three actin isoforms, α-, β- and γ-actin, in filopodia stability and dynamics during this process is not well characterized. Here, we performed high resolution in situ hybridization and qRT-PCR and showed that in primary mouse motoneurons α-, β- and γ-actin isoforms are expressed and their transcripts are translocated into axons. Using FRAP experiments, we showed that transcripts for α-, β- and γ-actin become locally translated in axonal growth cones and translation hot spots of the axonal branch points. Using live cell imaging, we showed that shRNA depletion of α-actin reduces dynamics of axonal filopodia which correlates with reduced number of collateral branches and impairs axon elongation. Depletion of β-actin correlates with reduced dynamics of growth cone filopoida, disturbs axon elongation and impairs presynaptic differentiation. Also, depletion of γ-actin impairs axonal growth and decreases axonal filopodia dynamics. These findings implicate that actin isoforms accomplish unique functions during development of motor axons. Depletions of β- and γ-actin lead to compensatory upregulation of other two isoforms. Consistent with this, total actin levels remain unaltered and F-actin polymerization capacity is preserved. After the knockdown of either α- or γ-actin, the levels of β-actin increase in the G-actin pool indicating that polymerization and stability of β-actin filaments depend on α- or γ-actin. This study provides evidence both for unique and overlapping function of actin isoforms in motoneuron growth and differentiation. In the soma of developing motoneurons, actin isoforms act redundantly and thus could compensate for each other’s loss. In the axon, α-, β- and γ-actin accomplish specific functions, i.e. β-actin regulates axon elongation and plasticity and α- and γ-actin regulate axonal branching.
Furthermore, we show that both axonal transport and local translation of α-, β- and γ-actin isoforms are impaired in Smn knockout motoneurons, indicating a role for Smn protein in RNA granule assembly and local translation of these actin isoforms in primary mouse motoneurons.
N2  - In stark polaren Zellen wie den Neuronen ist die Etablierung neuronaler Netzwerke ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung des zentralen Nervensystems und spielt für die adulte Plastizität eine wesentliche Rolle. Besonders die Aktindynamik ist wichtig für das Neuritenwachstum, die axonale Wegfindung und Verzweigung, sowie die Synaptogenese. Motoneurone bilden mehrere tausend terminale Verzweigungen aus, um neuromuskuläre Endplatten (NMJ) zu innervieren. Die axonale Verzweigung ist ein fundamentales Ereignis bei Ausbildung synaptischer Verbindungen zwischen Motoneuron und innerviertem Muskel. Die Axonverzweigung geschieht durch die Polymerisierung von Aktin entlang des Axonschafts, was zur Entstehung von Filopodien und Lamellopodien führt. Allerdings ist die genaue Funktion der drei Aktin-Isoformen (α-, β- and γ-Actin), im Zusammenhang mit der Regulation der Filopodienstabilität und deren Dynamik, noch weitestgehend unbekannt. 
Somit konnten wir in dieser Arbeit mit Hilfe hoch sensitiver in situ Hybridisierungs- und qRT PCR Techniken zeigen, dass in primären Mausmotoneuronen alle drei Aktinisoformen (α-, β- und γ) exprimiert, und deren Transkripte entlang des axonalen Kompartiments transportiert werden. Unsere FRAP Daten weisen darauf hin, dass α-, β- und γ-Aktin sowohl im Wachstumskegel als auch an sogenannten „Translation Hot Spots“ innerhalb axonaler Verzweigungspunkte lokal synthetisiert werden. Anhand von „Live Cell Imaging“ Experimenten konnten wir dann zeigen, dass ein α-Aktin Knockdown die Dynamik axonaler Filopodien stark reduziert, und als Folge, die Anzahl von axonalen Verzweigungen und die Axonlänge verringert ist. Hingegen geht ein β-Aktin Knockdown mit reduzierter Filopodiendynamik im Wachstumskegel und betroffener Differenzierung präsynaptischer Strukturen einher. Veränderungen des axonalen Wachstum und der Filopodiendynamik sind ebenfalls bei einem γ-Aktin Knockdown zu beobachten. Diese Daten weisen darauf hin, dass die drei Aktinisoformen unterschiedliche Funktionen bei der Entwicklung von Motoraxonen haben. Darüber hinaus zeigen unsere Daten, dass die Herunterregulation einer Aktinisoform durch eine erhöhte Expression der beiden anderen Isoformen kompensiert wird. Dieser Kompensationsmechanismus erlaubt es, die gesamte Aktinmenge und somit die F-Aktin-Polymerisation in der Zelle aufrechtzuerhalten. Sehr interessant dabei ist die Beobachtung, dass nach einem α- oder γ-Actin Knockdown das G/F-Verhältnis verändert ist, so dass die Menge an β-Aktin im G-Aktin Pool steigt und im F-Aktin Pool abnimmt. Daher beruhen Polymerisation und Stabilität von β-Aktin auf den α-, und  γ-Aktinisoformen. 
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle drei Aktinisoformen übergreifende Funktionen während Wachstum und Differenzierung von Motoneuronen haben. Im Zellkörper von sich entwickelnden Motoneuronen übernehmen sie ähnliche Aufgaben und können sich somit gegenseitig kompensieren. Im Gegensatz dazu sind die Funktionen im axonalen Kompartiment wesentlich spezifischer. Hier reguliert β-Aktin axonales Wachstum und Plastizität, während α- und γ-Aktin eine entscheidende Rolle bei der Ausbildung axonaler Verzweigungen haben. Unsere Arbeit lässt nun Rückschlüsse über mögliche Funktionen des SMN Proteins beim Aufbau der sogenannten „RNA Granules“ und lokaler Proteinbiosynthese der verschiedenen Aktinisoformen in primären Mausmotoneuronen zu.
KW  - Motoneuron
KW  - Spinale Muskelatrophie
KW  - Actin
KW  - Actin Dynamics
KW  - Isomer
KW  - Motoneurons
KW  - Axon Branching
KW  - Spinal Muscular Atrophy
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-147453
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yadav, Preeti
T1  - Studying Neuronal Cytoskeleton Defects and Synaptic Defects in Mouse Model of Amyotrophic Lateral Sclerosis and Spinal Muscular Atrophy
T1  - Die Analyse des neuronalen Zytoskeletts und synaptischer Defekte im Mausmodel der Amyotrophen Lateralsklerose und der Spinalen Muskelatrophie
N2  - Amyotrophic lateral sclerosis and spinal muscular atrophy are the two most common motoneuron diseases. Both are characterized by destabilization of axon terminals, axon degeneration and alterations in neuronal cytoskeleton. Accumulation of neurofilaments has been observed in several neurodegenerative diseases but the mechanisms how elevated neurofilament levels destabilize axons are unknown so far. Here, I show that increased neurofilament expression in motor nerves of pmn mutant mice causes disturbed microtubule dynamics. Depletion of neurofilament by Nefl knockout increases the number and regrowth of microtubules in pmn mutant motoneurons and restores axon elongation. This effect is mediated by interaction of neurofilament with the stathmin complex. Depletion of neurofilament increases stathmin-Stat3 interaction and stabilizes the microtubules. Consequently, the axonal maintenance is improved and the pmn mutant mice survive longer. We propose that this mechanism could also be relevant for other neurodegenerative diseases in which neurofilament accumulation is a prominent feature.
Next, using Smn-/-;SMN2 mouse as a model, the molecular mechanism behind synapse loss in SMA is studied. SMA is characterized by degeneration of lower α-motoneurons in spinal cord; however, how reduction of ubiquitously expressed SMN leads to MN-specific degeneration remains unclear. SMN is involved in pre-mRNA splicing (Pellizzoni, Kataoka et al. 1998) and its deficiency in SMA affects the splicing machinery. Neuromuscular junction denervation precedes neurodegeneration in SMA. However, there is no evidence of a link between aberrant splicing of transcripts downstream of Smn and reduced presynaptic axon excitability observed in SMA. In this study, we observed that expression and splicing of Nrxn2, that encodes a presynaptic protein is affected in the SMA mouse and that Nrxn2 could be a candidate that relates aberrant splicing to synaptic motoneuron defects in SMA.
N2  - Die Amyotrophe Lateralsklerose und die spinale Muskelatrophie sind die beiden häufigsten Formen der Motoneuronerkrankungen. Sie sind charakterisiert durch eine Destabilisierung der Axonendigungen, durch Axondegeneration und durch Änderungen im neuronalen Zytoskelett. Eine Anhäufung von Neurofilamenten konnte in einigen neurodegenerativen Erkrankungen beobachtet werden. Der genaue Mechanismus, welcher zu einer Destabilisierung des Axons führt, ist bis heute jedoch unklar. Hiermit zeige ich, dass eine gesteigerte Expression von Neurofilamenten in motorischen Nerven von pmn mutierten Mäusen zu einer Störung der Mikrotubuli – Dynamik führt. Ein Neurofilamentabbau durch Nefl knockout steigert die Anzahl an neu wachsenden Mikrotubuli in pmn mutierten Motoneuronen und führt zu erneutem Axonwachstum. Dieser Effekt wird durch eine Interaktion zwischen dem Neurofilament und dem Stathmin Komplex vermittelt. Ein Abbau des Neurofilaments führt zu einer Erhöhung der Stathmin-Stat3 Interaktion und zu einer Stabilisierung der Mikrotubuli. Demzufolge ist die Versorgung der Axone verbessert und die pmn mutierten Mäuse überleben länger. Wir vermuten, dass dieser Mechanismus auch für andere neurodegenerative Erkrankungen, bei denen Neurofilamentanhäufung ein dominantes Merkmal ist, relevant sein könnte.
Des Weiteren studierte ich mit Hilfe des Smn-/-;SMN2 Mausmodels, den molekularen Mechanismus der sich hinter dem Synapsenverlust bei SMA verbirgt. SMA ist charakterisiert durch eine Degeneration der unteren -Motoneuronen im Rückenmark. Es ist jedoch unklar, wie ein Verlust des ubiquitär exprimierten SMN Proteins zu einer MN-spezifischen Degeneration führt. Smn ist involviert in den Prozess des pre-mRNA Splicing (Pellizzoni, Kataoka et al. 1998) und ein Verlust des Proteins führt zu einer Störung des Splicing. Eine Denervierung der motorischen Endplatte führt zu einer Neurodegeneration in SMA. Es gibt jedoch keinen Hinweis auf eine kausale Verbindung zwischen anomalem Splicen von stromabwärts gelegenen Transkripten des Smn und einer Reduktion präsynaptischer Axone, wie man es bei SMA beobachten kann. In dieser Studie konnten wir beobachten, dass Expression und Splicing von Nrxn2, welches für ein präsynaptisches Protein kodiert, in SMA Mäusen betroffen ist und dass Nrxn2 ein Kandidat sein könnte, der eine Verbindung zwischen Störungen im Splice Prozess und synaptischen Motoneuron-Defekten in der SMA herstellen könnte.
KW  - Neurofilament
KW  - Neurofilament
KW  - Zellskelett
KW  - Spinale Muskelatrophie
KW  - Cytoskeleton
KW  - Spinal muscular Atrophy
KW  - Pmn mutant mouse
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-138093
ER  - 
TY  - THES
A1  - Simon, Christian Marc
T1  - Effects of the neurotrophic factors CNTF and IGF-1 in mouse models for spinal muscular atrophy and diabetic neuropathy
T1  - Effekte der neurotrophen Faktoren CNTF und IGF-1 in Mausmodellen für spinale Muskelatrophie und diabetische Neuropathie
N2  - In this study I investigate the role of Schwann cell and axon-derived trophic signals as modifiers of axonal integrity and sprouting in motoneuron disease and diabetic neuropathy (DNP). The first part of this thesis focuses on the role of the Schwann-cell-derived ciliary neurotrophic factor (CNTF) for compensatory sprouting in a mouse model for mild spinal muscular atrophy (SMA). In the second part, the role of the insulin-like growth factor 1 (IGF-1) and its binding protein 5 (IGFBP-5) is examined in the peripheral nerves of patients with DNP and in two corresponding mouse models. Proximal SMA is caused by homozygous loss or mutation of the SMN1 gene on human chromosome 5. The different forms of SMA can be divided into four groups, depending on the levels of SMN protein produced from a second SMN gene (SMN2) and the severity of the disease. Patients with milder forms of the disease, type III and type IV SMA, normally reach adulthood and regularly show enlargement of motor units, signifying the reinnervation of denervated muscle fibers. However, the underlying mechanisms are not understood. Smn+/- mice, a model of type III/IV SMA, are phenotypically normal, but they reveal progressive loss of motor neurons and denervation of motor endplates starting at 4 weeks of age. The progressive loss of spinal motor neurons reaches 50% at 12 months but muscle strength is not reduced. The first evidence for axonal sprouting as a compensatory mechanism in these animals was the more than 2-fold increase in amplitude of single motor unit action potentials (SMUAP) in the gastrocnemius muscle. Confocal analysis confirmed pronounced sprouting of innervating motor axons. As CNTF is highly expressed in Schwann cells and known to be involved in sprouting, its role for this compensatory sprouting response and the maintenance of muscle strength in Smn+/- mice was investigated. Deletion of CNTF in this mouse model results in reduced sprouting and decline of muscle strength in Smn+/- Cntf-/- mice. These findings indicate that CNTF is necessary for a sprouting response and thus enhances the size of motor units in skeletal muscles of Smn+/- mice. DNP afflicting motor and sensory nerve fibers is a major complication in diabetes mellitus. The underlying cellular mechanisms of motor axon degeneration are poorly understood. IGFBP-5, an inhibitory binding protein for IGF-1, is highly upregulated in peripheral nerves in patients with DNP. The study investigates the pathogenic relevance of this finding in transgenic mice overexpressing IGFBP-5 in motor axons. These mice develop motor axonopathy similar to that seen in DNP. Motor axon degeneration is also observed in mice in which the IGF-1 receptor (IGF-1R) was conditionally depleted in motoneurons, indicating that reduced activity of IGF-1 on IGF-1R in motoneurons is responsible for the observed effect. These data provide evidence that elevated expression of IGFBP-5 in diabetic nerves reduces the availability of IGF-1 for IGF-1R on motor axons leading to progressive neurodegeneration, and thus offers novel treatment strategies.
N2  - In dieser Arbeit habe ich die Rolle der neurotrophen Faktoren Ciliary neurotrophic factor (CNTF) und Insulin-like-growth factor 1 (IGF-1), die in Schwannzellen gebildet werden, als Modulatoren der axonalen Integrität bei einer degenerativen Motoneuronenerkrankung und bei diabetischer Neuropathie (DNP) untersucht. Im ersten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, dass CNTF für ein kompensatorisches Sprouting von motorischen Axonen in einem Mausmodell für spinale Muskelatrophie (SMA) verantwortlich ist. Im zweiten Teil wird die Rolle von IGF-1 und dessen Bindeprotein, IGFBP-5, in Axonen motorischer Nerven bei Patienten mit DNP und zwei korrespondieren Mausmodellen gezeigt. Die proximale SMA wird durch einen homozygoten Verlust oder Mutation des SMN1 Gens auf dem Chromosom 5 verursacht. Bei der spinalen Muskelatrophie unterscheidet man verschiedene Schweregrade, abhängig von der Menge an SMN Protein, das vom zweiten SMN Gen (SMN2) produziert werden kann. Patienten mit einer milderen Form von SMA (Typ III und IV) erreichen das Erwachsenenalter und zeigen oft vergrößerte motorische Einheiten, im Gegensatz zu Patienten mit den schweren kindlichen Formen der Erkrankung. Smn+/- Mäuse, ein Modell für die leichten SMA Formen Typ II und IV, zeigen denervierte Endplatten bereits 4 Wochen nach der Geburt und einen fortschreitenden Verlust von Motoneuronen, der nach 12 Monaten mehr als 50% beträgt, ohne dass sich die Muskelkraft der Tiere verringert. Die Amplitude der Summenpotenziale von einzelnen motorischen Einheiten (Single motor unit action potential, SMUAP) im Wadenmuskel ist mehr als 2-fach erhöht. Konfokale Aufnahmen bestätigen ausgeprägtes Sprouting der noch innervierenden Axone. Smn+/- Mäuse ohne CNTF, das normalerweise stark in Schwann-Zellen exprimiert ist, zeigen reduziertes Sprouting und verringerte Muskelkraft. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass CNTF für das Sprouting und die vergrößerten motorischen Einheiten in Smn+/- Mäusen verantwortlich ist. Dieser kompensatorische Mechanismus könnte neue Behandlungs-möglichkeiten für Motoneuronerkrankungen eröffnen. Die Diabetische Neuropathie (DNP), eine der Hauptkomplikationen bei Diabetes Mellitus, betrifft sowohl motorische als auch sensorische Nervenfasern. Die zugrunde liegenden zellulären Mechanismen, die zur Degeneration motorischer Axone in Spätstadien der Erkrankung führen, sind größtenteils noch ungeklärt. IGFBP-5, ein IGF-1 hemmendes Bindeprotein, ist in peripheren Nervbiopsien von DNP Patienten stark überexprimiert. Diese potenzielle pathogene Relevanz wurde bei IGFBP-5 überexprimierenden transgenen Mäusen untersucht. Diese Mäuse entwickeln ähnlich wie die DNP Patienten eine motorische Axonopathie. Diese Axondegeneration zeigen auch Mäuse, bei denen der IGF-1 Rezeptor (IGF-1R) neuronenspezifisch ausgeschaltet wurde. Das bedeutet, dass reduzierte Wirkung von IGF-1 am IGF-1R auf Axonen von Motoneuronen für die beobachtete Axonopathie verantwortlich ist. Zusammenfassend zeigen diese Daten, dass erhöhtes IGFBP-5 in diabetischen Nerven die Verfügbarkeit von IGF-1 für den IGF-1R reduziert und zu progressiver Neurodegeneration führt. Diese Erkenntnis könnte neue Behandlungsstrategien für Patienten mit DNP eröffnen.
KW  - Spinale Muskelatrophie
KW  - Ciliary neurotrophic factor
KW  - Insulin-like-Growth-Factor-Binding-Protein-5
KW  - Diabetische Polyneuropathie
KW  - Insulin-like Growth
KW  - Spinal muscular atrophy
KW  - Ciliary neurotrophic factor
KW  - Insulin-like-Growth-Factor-Binding-Protein-5
KW  - Diabetic polyneuropathy
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-70207
ER  -