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The purpose of the experiments reported is to provide an unambiguous demonstration that embryonie skeletal muscle contains factors that act directly on embryonie spinal motor neurons both to support their survival and to stimulate the outgrowth of neurites. Cells of lumbar and brachial ventral spinal cords from 6-day-old chick embryos were separated by centrifugation in a two-step metrizamide gradient, and a motor neuron enriched fraction was obtained. Motor neurons were identified by retrogradely labeling with rhodamine isothiocyanate, and were enriched fourfold in the motor neuron fraction relative to unfractionated cells. In culture, the isolated motor neurons died within 3-4 days unless they were supplemented with embryonie chick skeletal muscle extract. Two functionally distinct entities separable by ammonium sulfate precipitation were responsible for the effects of muscle extracts on motor neurons. The 0-25% ammonium sulfate precipitate contained molecules that alone bad no effect on neuronal survival but when bound to polyornithine-coated culture substrata, stimulated neurite outgrowth and potentiated the survival activity present in muscle. Most of this activity was due to a laminin-like molecule being immunoprecipitated with antisera against laminin, and immunoblotting demonstrated the presence of both the A and B chains of laminin. A long-term survival activity resided in the 25-70% ammonium sulfate fraction, and its apparent total and specific activities were strongly dependent on the culture substrate. In contrast to the motor neurons, the cells from the other metrizamide fraction (including neuronal cells) could be kept in culture for a prolonged time without addition of exogenous factor(s).
We have been studying a population of bipotential glial progenitor cells in the perinatal rat optic nerve and brain in an attempt to understand how cells choose between alternative fates in the developing mammalian central nervous system (CNS). This cell population gives rise initially to oligodendrocytes and then to type-2 astrocytes1 both of which apparently collaborate in sheathing axons in the CNS2,3. In vitro studies suggest that oligodendrocyte differentiation is the constitutive pathway of development for the oligodendrocyte-type-2-astrocyte (O-2A) progenitor cell4,5, whereas type-2 astrocyte differentiation depends on a specific inducing protein6. This protein is present in the developing optic nerve when type-2 astrocytes are differentiating and can induce 0-2A progenitor cells in vitro to express glial fibrillary acidic protein (GFAP)6, a marker of astrocyte differentiation7. Here we show that the type-2-astrocyte-inducing protein is similar or identical to ciliary neutrotrophic factor (CNTF)8,9, which promotes the survival of some types of peripheral neurons in vitro8, including ciliary ganglion neurons8,10. This suggests that CNTF, in addition to its effect on neurons, may be responsible for triggering type-2 astrocyte differentiation in the developing CNS.
The ability of nerve growth factor to cause rapid activation of the Na+K+ pump of its responsive cells was examined by measuring the uptake of 86Rb+. A significant increase in 86Rb+ uptake in Ea chick dorsal root ganglion sensory neurons after NGF treatment was seen only if the cells had been damaged during the preparation procedure. Such damaged cells could not survive in culture in the presence of NGF, and undamaged cells that did survive in response to NGF exhibited no increased 86Rb+ uptake rate. Furthermore, cultured calf adrenal medullary cells did not show an increase in 86Rb+ uptake after treatment with NGF, although these cells respond to NGF with an increased synthesis of catecholaminergic enzymes. These results are incompatible with the hypothesis that the mechanism of action of NGF that promotes neuronal survival and enzyme induction results from an initial stimulation of the Na+K+ pump.
At early developmental stages (embryonic day 7, E7), chick paravertebral sympathetic ganglia contain a cell population that divides in culture while expressing various neuronal properties. In an attempt to identify factors that control neuronal proliferation, we found that ciliary neurotrophic factor (CNTF) specifically inhibits the proliferation of those cells expressing neuronal markers. In addition, CNTF affects the differentiation of sympathetic ganglion cells by inducing the expression of vasoactive intestinal peptide immunoreactivity (VIP-IR). After 1 day in culture, tyrosine hydroxylase immunoreactivity (TH-I R) was expressed by about 86% of the cells whereas VIP-IR was virtually absent. In the presence of CNTF, 50%-60% of the cells expressed VIP-IR after 4 days in culture; however, none of the cells expressed VIP-IR in the absence of CNTF. These results, and the demonstration of cells that express both VIP and TH-IR, indicate that VIP is induced in cells that initially express tyrosine hydroxylase. The findings suggest a potential role for CNTF as a factor affecting the proliferation and differentiation of developing sympathetic neurons.
Although evidence obtained with the PC12 cell line has suggested a role for the ras oncogene proteins in the signal transduction of nerve growth factor-mediated fiber outgrowth, little is known about the signal transduction mechanisms involved in the neuronal response to neurotrophic factors in nontransformed cells. We report here that the oncogene protein T24-ras, when introduced into the cytoplasm of freshly dissociated chick embryonic neurons, promotes the in vitro survival and neurite outgrowth of nerve growth factor-responsive dorsal rootganglion neurons, brain-derived neurotrophic factor-responsive nodose ganglion neurons, and ciliary neuronotrophic factor-responsive ciliary ganglion neurons. The proto-oncogene product c-Ha-ras also promotes neuronal survival, albeit less strongly. No effect could be observed with truncated counterparts of T24-ras and c-Ha-ras lacking the 23 C-terminal amino acids including the membrane-an-choring, palmityl-accepting cysteine. These results sug-gest a generalized involvement of ras or ras-like proteins in the intracellular signal transduction pathway for neurotrophic factors.
CILIARY neurotrophic factor (CNTF) was originally characterized as a survival factor for chick ciliary neurons in vitro. More recently, it was shown to promote the survival of a variety of otherneuronal cell types and to affect the differentiation of E7 chick sympathetic neurons by inhibiting their proliferation and by inducing the expression of yasoactiYe intestinal peptide immunoreactiyity (VIP-IR). In cultures of dissociated sympathetic neurons from newborn rats, CNTF induces cholinergic differentiation as shown by increased levels of choline acetyltransferase (ChAT.
Ciliary neurotrophic factor (CNTF) influences the levels of choline acetyltransferase (ChAT) and tyrosine hydroxylase (TH) in cultures of dissociated sYmpathetic neurons from newborn rats. In the presence of CNTF both the total and specific activity of ChAT was increased 7 d after culture by 15- and 18-fold, respectively, as compared to cultures kept in the absence of CNTF. Between 3 and 21 d in culture in the presence of CNTF . the total ChAT activity increased by a factor of >100. Immunotitration demonstrated that the elevated ChAT levels were due to an increased number of enzyme molecules. In contrast to the increase in ChAT levels, the total and specific activity levels' of TH were decreased by 42 and 36 %, respectively, after 7 d in culture. Half-maximal effects for both ChAT increase and TH decrease were obtained at CNTF concentrations of rvO.6 ng and maximal levels were reached at I ng of CNTF per milliliter of medium. The effect of CNTF on TH and ChAT levels were seen in serum-containing medium as well as in serum-free medium. CNTF was shown to have only a small effect on the long-term s.urviVal of rat sympathetic neurons. We therefore concluded that the effects of CNTF on ChAT and TH are not due to selective survival of cells that acquire cholinergic traits in vitro, but are rather due to the induction of cholinergic differentiation of noradrenergic sympathetic neurons.
The period of natural cell death in the development of rodent motor neurons is followed by a period of sensitivity to axonal injury1-3. In the rat this early postnatal period of vulnerability coincides with that of very low ciliary neurotrophic factor (CNTF) levels in the sciatic nerve before CNTF increases to the high, adult levels4. The developmental time course of CNTF expression, its regional tissue distribution and its cytosolic localization (as suggested by its primary structure)4*5 favour a role for CNTF as a lesion factor rather than a target-derived neurotrophic molecule like nerve growth factor. Nevertheless CNTF exhibits neurotrophic activity in vitro on different populations of embryonic neurons6. To determine whether the vulnerability of motor neurons to axotomy in the early postnatal phase is due to insufficient availability of CNTF, we transected the axons of newborn rat motor neurons and demonstrated that iocal application of CNTF prevents the degeneration of the corresponding cell bodies.
0-2A progenitor cells give rise to both oligodendrocytes and type-2 astrocytes in vitro. Whereas oligodendrocyte differentiation occurs constitutively, type-2 astrocyte differentiation requires extracellular signals, one of which is thought to be ciliary neurotrophic factor (CNTF). CNTF, however, is insufficient by itself to induce the development of stable type-2 astrocytes. In this report we show the following: (a) that molecules associated with the extracellular matrix (ECM) cooperate with CNTF to induce stable type-2 astrocyte differentiation in serumfree cultures. The combination of CNTF and the ECM-associated molecules thus mimics the effect of FCS, which has been shown previously to induce stable type-2 astrocyte differentiation in vitro. (b) Both the ECM-associated molecules and CNTF act directly on 0-2A progenitor cells and can induce them to differentiate prematurely into type-2 astrocytes. (c) ECM-associated molecules also inhibit oligodendrocyte differentiation, even in the absence of CNTF, but this inhibition is not sufficient on its own to induce type-2 astrocyte differentiation. (d) Whereas the effect of ECM on oligodendrocyte differentiation is mimicked by basic fibroblast growth factor (bFGF), the effect of ECM on type-2 astrocyte differentiation is not. (e) The ECM-associated molecules that are responsible for inhibitin~ oligodendrocyte differentiation and for cooperating with CNTF to induce type-2 astrocyte differentiation are made by non-glial cells in vitro. (f) Molecules that have these activities and bind to ECM are present in the optic nerve at the time type-2 astrocytes are thought to be developing.
Ciliary neurotrophic factor (CNTF) is a potent survival molecule for a variety of embryonic neurons in culture. The developmental expression of CNTF occurs clearly after the time period of the physiological cell death of CNTF-responsive neurons. This, together with the sites of expression, excludes CNTF as a target-derived neuronal survival factor, at least in rodents. However, CNTF also participates in the induction of type 2 astrocyte differentiation in vitro. Here we demonstrate that the time course of the expression of CNTF-mRNA and protein in the rat optic nerve (as evaluated by quantitative Northern blot analysis and biological activity, respectively) is compatible with such a glial differentiation function of CNTF in vivo. We also show that the type 2 astrocyte-inducing- activity previously demonstrated in optic nerve extract can be precipitated by an antiserum against CNTF. Immunohistochemical analysis of astrocytes in vitro and in vivo demonstrates that the expression of CNTF is confined to a subpopulation of type 1 astrocytes. The olfactory bulb of adult rats has comparably high levels of CNTF to the optic nerve, and here again, CNTF-immunoreactivity is localized in a subpopulation of astrocytes. However, the postnatal expression of CNTF in the olfactory bulb occurs later than in the optic nerve. In other brain regions both CNTF-mRNA and protein levels are much lower.
We have demonstrated that the extensive degeneration of motoneurons in the rat facial nucleus after transection of the facial nerve in newborn rats can be prevented by local ciliary neurotrophic factor (CNTF) administration. CNTF differs distinctly from known neurotrophic molecules such as NGF, BDNF and NT-3 in both its molecular characteristics (CNTF is a cytosolic rather than a secretory molecule) and its broad spectrum of biological activities. CNTF is expressed selectively by Schwann cells and astrocytes of the peripheral and central nervous system, respectively, but not by target tissues of the great variety of CNTF -responsive neurons. CNTF mRNA is not detectable by Northern blot or PCR analysis during embryonic development and immediately after birth. However, during the second post-natal week, a more than 30-fold increase in CNTF mRNA and pro tein occurs in the sciatic nerve. Since the period of low CNTF levels in peripheral nerves coincides with that of high vulnerability of motoneurons (i.e. axonallesion results in degeneration of motoneuron cell bodies), insufficient availability of CNTF may be the reason for the rate of lesioninduced cell death of early post-natal motoneurons. Highly enriched embryonic chick motoneurons in culture are supported at survival rates higher than 60% by CNTF, even in single cell cultures, indicating that CNTF acts directly on motoneurons. In contrast to CNTF, the members of the neurotrophin gene family (NGF, BDNF and NT-3) do not support the survival of motoneurons in culture. However, aFGF and bFGF show distinct survival activities which are additive to those of CNTF, resulting in the survival of virtually all motoneurons cultured in the presence of CNTF and bFGF.
The cDNA for ciliary neurotrophic factor (CNTF), a polypeptide involved in the survival of motoneurons in mammals, has recently been cloned (Stöckli et al., Nature, 342, 920 - 923, 1989; Lin et al. Science, 246, 1023 - 1025, 1989). We have now localized the corresponding gene Cntf to chromosome 19 in the mouse, using an interspecific cross between Mus spretus and Mus musculus domesticus. The latter was carrying the gene wobbler (wr) for spinal muscular atrophy. DNA was prepared from backcross individuals and typed for the segregation of species-specific Cntf restriction fragments in relation to DNA markers of known chromosomal location. The M.spretus allele of Cntf cosegregated with chromosome 19 markers and mapped closely to Ly-1, to a region of mouse chromosome 19 with conserved synteny to human chromosome 11q. Cntf is not linked to wr, and the expression of CNTF mRNA and protein appears close to normal in facial and sciatic nerves, of affected (wr/wr) mice, suggesting that motoneuron degeneration of wobbler mice has its origin in defects other than reduced CNTF expression.
Ciliary neurotrophic factor (CNTF) is expressed in high quantities in Schwann cells of peripheral nerves during postnatal development of the rat. The absence of a hydrophobic leader sequence and the immunohistochemical localization of CNTF within the cytoplasm of these cells indicate that the factor might not be available to responsive neurons under physiological conditions. However, CNTF supports the survival of a variety of embryonic neurons, including spinal motoneurons in culture. Moreover we have recently demonstrated that the exogenous application of CNTF protein to the lesioned facial nerve of the newborn rat rescued these motoneurons from cell death. These results indicate that CNTF might indeed play a major role in assisting the survival of lesioned neurons in the adult peripheral nervous system. Here we demonstrate that the CNTF mRNA and protein levels and the manner in which they are regulated are compatible with such a function in lesioned peripheral neurons. In particular, immunohistochemical analysis showed significant quantities of CNTF at extracellular sites after sciatic nerve lesion. Western blots and determination of CNTF biological activity of the same nerve segments indicate that extracellular CNTF seems to be biologically active. After nerve lesion CNTF mRNA levels were reduced to <5 % in distal regions of the sciatic nerve whereas CNTF bioactivity decreased to only one third of the original before-lesion levels. A gradual reincrease in Schwann cells occurred concomitant with regeneration.
CILIARY neurotrophic factor (CNTF) supports the survival of embryonic motor neurons in vitro and in vivo and prevents lesion-mediated degeneration of rat motor neuron~ during early post-natal stages. Here we report that CNTF greatly reduces all the functional and morphological changes in pmnlpmn mice5, an autosomal recessive mutant leading to progressive caudo-cranial motor neuron degeneration. The first manifestations of progressive motor neuronopathy in homozygous pmnl pmn mice become apparent in the hind limbs at the end of the third post-natal week and all the mice die up to 6 or 7 weeks after birth from respiratory paralysis. Treatment with CNTF prolongs- survival- and greatly Impoves motor function of these mice. Moreover, morphological manifestations, such as loss of motor axons in the phrenic nerve and degeneration of facial motor neurons, were greatly reduced by CNTF, although the treatment did not start until the first symptoms of the disease had already become apparent and substantial degenerative changes were already present. The protective and restorative effects of CNTF in this mouse mutant give new perspectives for the treatment of human degenerative motor neuron diseases with CNTF.
Motoneurons innervating the skeletal musculature were among the first neurons shown to require the presence of their target cells to develop appropriatelyl,2. But the characterization of molecules allowing motoneuron survival has been difficult. Ciliary neurotrophic factor prevents the death of motoneurons3-6, but its gene is not expressed during development7. Although the presence of a neurotrophin receptor on developing motoneurons8-1O has suggested a role for neurotrophins, none could be shown to promote motoneuron survival in vitro3. We report here that brainderived neurotrophic factor can prevent the death of axotomized motoneurons in newborn rats, suggesting a role for this neurotrophin for motoneuron survival in vivo.
More on motor neurons
(1992)
Motoneuron diseases represent a m&jor challenge to modern neurology, yet their clinical manifestations ware first described more than hundred years ago, and despite many studies the etiology of these diseases ramd,ns obscure with no effective treatments having been reported. Although progress has been made in establishing genetic linkage in the rare inherited for.ms of these diseases such as familial amyotrophic lateral scleriosisl , spinal mDscular atrophy and X-linked bulbo-spinal-mDscular atrophy, this new information has not yet affected therapeutic techniques. During the last few years several important steps have been taken concerning the physiological mechanisms involved in motoneuron survival during development, after lesion and in animal models of degenerative diseases, the molecular clOning of several new neurotrophic factors (brain-derived neurotrophic factor (BDNP), neurotrophin-3 and-4 (NT-3 and NT-4) and ciliary neurotrophic factor (CNTP)); the identification of a gene family of receptor molecules for same of these factors, progress in the understanding of the effects of polypeptide growth factors on muscle cell differentiation, neuronal sprouting (insulin-like growth factor-I and -11 (IGF-I and IGF-II), and in vitro motoneuronal survival (CNTF, IGF-I and -II and basic FGF). These findings have raised new hopes in that they could lead to a better understanding of the pathophysiological processes underlying these diseases, and that the pharmacological use of same of these newly characterized neurotrophic factors could present new possibilities for the treatment of these diseases.
CNTF is a cytosolic molecule expressed postnatally in myelinating Schwann cells and in a subpopulation of astrocytes. Although CNTF administration prevents lesion-mediated and genetically determined motor neuron degeneration, its physiological function remained elusive. Here it is reported that abolition of CNTF gene expression by homologous recombination results in a progressive atrophy and loss of motor neurons in adult mice, which is functionally reflected by a small but significant reduction in muscle strength.
The structure of the rat ciliary neurotrophic factor (CNTF) gene and the regulation ofCNTF mRNA levels in cultured glial cells were investigated. The rat mRNA is encoded by a simple two-exon transcription unit. Sequence analysis of the region upstream of the transcription start-site did not reveal a typical TATA-box consensus sequence. Low levels of CNTF mRNA were detected in cultured Schwann cells, and CNTF mRNA was not increased by a variety of treatments. Three-week-old astrocyteenriched cell cultures from new-born rat brain contained easily detectable CNTF mRNA. In astrocyte-enriched cultures, upregulation of CNTF mRNA levels was observed after treatment with IFN-gamma. CNTF mRNA levels were down-regulated in these cells by treatments that elevate intracellular cyclic AMP and by members of the fibroblast growth factor (FGF) family. The implications of these results for potential in vivo functions of CNTF are discussed.
We examined the potential role of fibroblast growth factor 5 (FGF-5) as a target-derived trophic factor for spinal motoneurons. Northern analysis of total RNA from rat skeletal muscle revealed an FGF-5 mRNA transcript both during the period of embryonic motoneuron death and in the adult. Recombinant human FGF-5 supported the survival of highly enriched cultures of embryonic chick motoneurons. Significant proportions of the motoneuron survival activity of rat skeletal muscle extracts could be immunoprecipitated using an antiserum to FGF-5. The immunoprecipitable activity was present in soluble and matrix-bound forms in embryonic muscle, but bound exclusively to the extracellular matrix in adult muscle. These results, along with the secretory nature of FGF-5, suggest that FGF-5 may act as a target-derived trophic factor for motoneurons.
Motoneurons played an essential role in establishing the concept of target-mediated support of innervating neurons. However, it took several decades until molecules were identined which trophically support motoneurons in vitro and in vivo. The most potent molecule identined so far is ciliary neurotrophic factor (CNTF). It is expressed as a cytosolic molecule in myelinating Schwann cells rather than in skeletal muscle in the postnatal period and therefore does not qualify as a target-derived neurotrophic factor regulating motoneuron survival during embryonic development. However, the inactivation of CNTF by gene targeting experiments results in progressive atrophy and degeneration of motoneurons, demonstrating that CNTF plays an essential role as a maintenance factor for motoneurons postnatally. Secretory molecules which are expressed in skeletal muscle during embryonic development and which support motoneurons in culture and partially also in vivo include members of the NGF gene family (BDNF, NT-3, NT-4/S) , FGF-S, IGF-I, and UF. The evaluation of the physiological importance of these molecules is under investigation.
The survival and functional maintenance of spinal motoneurons, both during the period of developmental cell death and in adulthood, have been shown to be dependent on trophic factors. In vitro experiments have previously been used to identify several survival factors for motoneurons, including CNTF, UF, and members of the neurotrophin, FGF, and IGF gene families. Some of these factors have also been shown to be active in vivo, either on chick motoneurons during embryonic development or on lesioned facial and spinal motoneurons of the newborn rat. Here we demonstrate that lesioned newborn rat facial motoneurons can be rescued by NT-4/5, IGF-I, and UF. Furthermore, in contrast to chick motoneurons, the survival of isolated embryonic rat motoneurons can be maintained by the neurotrophins BDNF, NT-3, and NT-4/5. IGF-I and FGF-5 were also active in this system, each supporting more than 50% of the originally plated neurons. The responsiveness of motoneurons to multiple factors in vitro and in vivo suggests that motoneuron survival and function are regulated by the coordinated actions of members of different gene families.
We showed previously that oligodendrocytes and their precursors require continuous signalling by protein trophic factors to avoid programmed cell death in culture. Here we show that three classes of such trophic factors promote oligodendrocyte survival in vitro: (1) insulin and insulin-like growth factors (IGFs), (2) neurotrophins, particularly neurotrophin-3 (NT -3), and (3) ciliary-neurotrophic factor (CNTF), leukemia inhibitory factor (LIF) and interleukin 6 (IL-6). A single factor, or combinations of factors within the same class, promote only short-term survival of oligodendrocytes and their precursors, while combinations of factors from different classes promote survival additively. Long-term survival of oligodendrocytes in vitro requires at least one factor from each class, suggesting that multiple signals may be required for long-term oligodendrocyte survival in vivo. We also show that CNTF promotes oligodendrocyte survival in vivo, that platelet-derived growth factor (PDGF) can promote the survival of oligodendrocyte precursors in vitro by acting on a novel, very high affinity PDGF receptor, and that, in addition to its effect on survival, NT-3 is a potent mitogen for oligodendrocyte precursor cells.
Spinal motoneurons innervating skeletal muscle were amongst the first neurons shown to require the presence of their target cells to develop appropriately. Isolated embryonie chick and rat motoneurons have been used to identify neurotrophic factors and cytokines capable of supporting the survival of developing motoneurons. Such factors include ciliary neurotrophic factor (CNTF), which is present physiologically in high amounts in myelinating Schwann cells of peripheral nerves, and brain-derived neurotrophic factor (BDNF) which is synthesized in skeletal muscle and, after peripheral nerve lesion. in Schwann cells. These factors have been further analyzed for their physiological significance in maintaining motoneuron function in vivo, and for their potential therapeutic usefulness in degenerative motoneuron disease. Both CNTF and BDNF are capable of rescuing injured facial motoneurons in newbom rats. Furthermore, CNTF prolongs survival and improves motor function of pmn mice, an animal model for degenerative motoneuron disease, by preventing degeneration of motoneuron axons and somata. Thus treatment of human motoneuron disease with neurotrophic factors should be possible, provided that rational means for application of these factors can be established considering also the appearance of potential side effects.
Ciliary Neurotrophic Factor
(1994)
Interleukin-6, leukemia inhibitory factor, oncostatin M. Interleukin-11, and cilialy neurotrophic factor bind to receptor complexes that share the signal transducer gp130. Upon binding, the ligands rapidly activate DNA binding of acute-phase response factor (APRF), a protein antigenicaly relaled to the p91 subunit of the interferon-stimulated gene factor-(ISGF-3a). These cytokines caused tyrosine phosphorylation of APRF and ISGF-3a p91. Protein kinases of the Jak family were also rapidly tyrosine phosphorylated, and both APRF and Jak1 associated with gp130. These data indicate that Jak family protein kinases may participate in IL-6 signaling and that APRF may be activated in a complex with gp130.
D EVELOPME'iT and maintenance of the mammalian nervous system is dependent upon neurotrophic cytokines. One class of neurotrophic factor acts through rcccptor complexes involving the lowaffinity leukaemia inhibitor y faclor receptor subunit (LlF-R). Members of this fa mily of cytokines, such as ciliary neurotrophic factor (CNTF) and leukaemia inhibitory factor (LIF), have profound effects on the survival and maintenance of motor neurons, Recently it was reported that mice lacking LlF-R die shortly after birth unlike mice lacking CNTF or LIF which are viable. Here we describe histopathological analyses of lifr mutants tha t reveal a loss > 35% of facia l motor neurons, 40% of spinal motor neurons and 50% of neurons in the nucleus ambiguus. These findings point to the existence of a ligand for LIF-R tha t is required for the normal development of motor neurons in both brainstem nuclei and spinal cord.
The transmission of proliferative and developmental signals from activated cell-surface receptors to initiation of cellular responses in the nucleus is synergically controlled by the coordinated action of a diverse set of intracellular signalling proteins. The Ras/Raf/MEK/MAPK signalling pathway has been shown to control the expression of genes which are crucial for the physiological regulation of cell proliferation, differentiation and apoptosis. Within this signalling cascade, the Raf protein family of serine/threonine kinases serves as a central intermediate which connects to many of other signal transduction pathways. To elucidate the signalling functions of the different Raf kinases in motoneurons during development, the expression, distribution and subcellular localization of Rafs in the spinal cord and the facial nucleus in brainstem of mice at various embryonic and postnatal stages were investigated. Moreover, we have investigated the intracellular redistribution of Raf molecules in isolated motoneurons from 13 or 14 day old mouse embryos, after addition or withdrawal of neurotrophic factors to induce Raf kinases activation in vitro. Furthermore, in order to investigate the potential anti-apoptotic function of Raf kinases on motoneurons, we isolated motoneurons from B-raf-/- and c-raf-1-/- mouse embryos and analysed the survival and differentiation effects of neurotrophic factors in motoneurons lacking B-Raf and c-Raf-1. We provide evidence here that all three Raf kinases are expressed in mouse spinal motoneurons. Their expression increases during the period of naturally occurring cell death of motoneurons. In sections of embryonic and postnatal spinal cord, motoneurons express exclusively B-Raf and c-Raf-1, but not A-Raf, and subcellularly Raf kinases are obviously colocalized with mitochondria. In isolated motoneurons, most of the B-Raf or c-Raf-1 immunoreactivity is located in the perinuclear space but also in the nucleus, especially after activation by addition of CNTF and BDNF in vitro. We found that c-Raf-1 translocation from the cytosol into the nucleus of motoneurons after its activation by neurotrophic factors is a distinct event. As a central finding of our study, we observed that the viability of isolated motoneurons from B-raf but not c-raf-1 knockout mice is lost even in the presence of CNTF and other neurotrophic factors. This indicates that B-Raf but not c-Raf-1, which is still present in B-raf deficient motoneurons, plays a crucial role in mediating the survival effect of neurotrophic factors during development. In order to prove that B-Raf is an essential player in this scenario, we have re-expressed B-Raf in mutant sensory and motor neurons by transfection. The motoneurons and the sensory neurons from B-raf knockout mouse which were transfected with exogenous B-raf gene revealed the same viability in the presence of neurotrophic factors as primary neurons from wild-type mice. Our results suggest that Raf kinases have important signalling functions in motoneurons in mouse CNS. In vitro, activation causes redistribution of Raf protein kinases, particularly for c-Raf-1, from motoneuronal cytoplasm into the nucleus. This redistribution of c-Raf-1, however, is not necessary for the survival effect of neurotrophic factors, given that B-raf-/- motor and sensory neurons can not survive despite the presence of c-Raf-1. We hypothesize that c-Raf-1 nuclear translocation may play a direct role in transcriptional regulation as a consequence of neurotrophic factor induced phosphorylation and activation of c-Raf-1 in motoneurons. Moreover, the identification of target genes for nuclear translocated c-Raf-1 and of specific cellular functions initiated by this mechanism awaits its characterization.
Genetische Inaktivierung des somatischen Cytochrom C Gens der Maus Cytochrom C wurde als ein Interaktionspartner im Apoptosom beschrieben. Ziel dieses Projektes war es, die Rolle von Cytochrom C bei der Apoptose von Nervenzellen in vivo durch genetische Inaktivierung in der Maus zu untersuchen. Die homozygote Deletion des Cytochrom C Gens führt jedoch zu einem sehr frühen Entwicklungsdefekt: Schon am 8. Embryonaltag findet man nur noch Embryonen ohne erkennbare Körperachse. Im weiteren wurden daher heterozygote Tiere untersucht, die in bestimmten Geweben, wie Gehirn und Rückenmark, eine Reduktion der Menge von Cytochrom C aufweisen. Am ersten Tag nach der Geburt konnten keine Unterschiede zwischen Tieren mit einem oder zwei Cytochrom C Genen in Bezug die Anzahl von Motoneuronen gefunden werden. Auch nach perinataler Fazialisläsion war die Rate des Zelltods bei Tieren mit heterozygoter Deletion des Cytochrom C Gens unverändert. In vitro zeigte sich jedoch eine erhöhte Resitenz von Motoneuronen gegenüber Fas-induzierter Apoptose. Bei der Analyse der Apoptose von Thymozyten zeigte sich ein Trend, der eine kleine, aber reproduzierbare Verzögerung einer späten Zelltodphase nach UV-induzierter Apoptose nahelegt. Erste Experimente deuten außerdem auf einen Effekt der Cytochrom C Gendosis auf den Verlauf einer Experimentellen Autoimmunencephalitis (EAE) hin. Charakterisierung der NFL-Cre Maus Die zelltypspezifische Genablation mit dem Cre/loxP System umgeht einige der größten Probleme der klassischen Methode der Geninaktivierung in Mäusen, indem nur in bestimmten Geweben oder Zelltypen, eventuell sogar nur ab einem bestimmten Zeitpunkt, ein Gen gezielt ausgeschaltet werden kann. Allerdings hängt das Cre/loxP System von der Verfügbarkeit von brauchbaren Cre-transgenen Mauslinien mit entsprechenden Expressionsmustern und –kinetiken ab. Wir haben eine transgene Mauslinie etabliert und analysiert, die die Cre Rekombinase unter der Kontrolle des humanen Neurofilament-L Promotors exprimiert. Das Expressionsmuster von Cre wurde in mehreren Geweben mit RT-PCR und durch Verkreuzung mit einer Reportergenmaus untersucht. Im Gehirn wurden Cre exprimierende Zelltypen mit in-situ Hybridisierung, Immunhistochemie und wiederum mit Hilfe der Reportermaus identifiziert. Dabei zeigte sich eine spezifische Cre Expression in bestimmten Neuronpopulationen wie hippocampalen Pyramidenzellen und spinalen und cranialen Motoneuronen. Unsere NFL-Cre Maus besitzt einige Eigenschaften, die bisher publizierte Cre-Linien nicht aufweisen, so z.B.eine starke Cre Expression in hippocampalen Pyramidenzellen, aber nicht in Körnerzellen des Gyrus dentatus; Expression in cortikalen Pyramidenzellen, aber keine Expression im Striatum; Expression in zerebellären Purkinje-, aber nicht Körnerzellen; sowie die Expression in spinalen und cranialen Motoneuronen, aber nicht in angrenzenden Interneuronen. Die Rolle von Stat3 für das Überleben von Motoneuronen Die Mitglieder der CNTF/LIF/Cardiotrophin Genfamilie sind potente Überlebensfaktoren für embryonale und lädierte Motoneurone sowohl in vitro als auch in vivo. Diese Faktoren binden an Rezeptorkomplexe, die gp130 und LIFR als signaltransduzierende Komponenten enthalten. Im Gegensatz zu den Rezeptoren für andere neurotrophe Faktoren, führt die Aktivierung von gp130 und LIFR zur Phosphorylierung und Aktivierung des Transkriptionsfaktors Stat3. Es war aber zu Beginn dieser Arbeiten unklar, ob die Aktivierung von Stat3 für den Überlebenseffekt der neuropoietischen Zytokine notwendig ist. Um diese Frage zu beantworten, wurde Stat3 in Motoneuronen mit Hilfe des Cre/loxP Systems konditional inaktiviert. Stat3 ist nicht für das Überleben embryonaler Motoneurone essentiell, obwohl man in vitro eine Verschiebung der Dosis-Wirkungskurve für CNTF findet. In vivo hingegen kann kein erhöhter Zelltod von Motoneuronen nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu, kommt es bei adulten Tieren mit Inaktivierung von Stat3 in Motoneuronen zu einem erhöhten Zelltod nach Fazialisläsion. Diese Neurone können wiederum durch die Applikation neurotropher Faktoren, einschließlich CNTF, gerettet werden. Durch semiquantitative RT-PCR kann man zeigen, daß Stat3-regulierte Gene, deren Expression nach Nervenläsion induziert wird, in Neuronen mit Inaktivierung von Stat3 weniger stark exprimiert werden. Zu diesen Genen gehören Reg-2, ein Mitogen für Schwannzellen, das von regenerierenden Neuronen exprimiert wird, und Bcl-xL, ein Gen, welches direkt in die Apoptoseregulation eingreift. Diese Daten zeigen, daß Stat3 Aktivierung eine essentielle Rolle für das Überleben nach Läsion von postnatalen Motoneuronen spielt, aber nicht während der Embryonalentwicklung. Das bedeutet, daß die Signalwege ein und desselben neurotrophen Faktors sich während der Entwicklung und reifung des Organismus verändern können.
Spinale Muskelatrophie (SMA), die häufigste autosomal rezessive neuromuskuläre Erkrankung bei Kindern und jungen Erwachsenen, wird durch Mutationen in der telomeren Kopie des survival motor neuron (SMN1) Gens auf dem humanen Chromosom 5 verursacht. Anders als bei Mäusen, welche nur ein Smn Gen haben, gibt es beim Menschen eine zweite Kopie (SMN2). Das Genprodukt dieser zweiten Kopie wird am C-Terminus bevorzugt alternativ gespleißt. Es bringt nur eine kleine Menge des vollständigen SMN Proteins hervor. Der Grund, warum eine reduzierte Menge des ubiquitär exprimierten SMN Proteins speziell zu einer Motorneuronendegeneration führt, ohne andere Zelltypen gleichermaßen zu betreffen ist noch immer nicht bekannt. Mit Hilfe der Yeast-Two-Hybrid Technik wurden die beiden heterogenen nukleären Ribonukleoproteine hnRNP-R und hnRNP-Q als neue SMN-bindende Proteine identifiziert. Diese beiden hochhomologen Proteine waren bereits bekannt und stehen in Verbindung mit dem RNA Metabolismus, im Speziellen: Editing, Transport und Spleißing. hnRNP-R und -Q interagieren mit Wildtyp Smn, aber nicht mit trunkierten oder mutierten Smn Formen, welche in SMA-Patienten gefunden wurden. Beide Proteine werden in den meisten Geweben exprimiert. Im Rückenmark von Mäusen ist die stärkste Expression am neunzehnten embryonalen Tag zu beobachten. Interessanterweise ist hnRNP-R hauptsächlich in den Axonen von Motoneuronen zu finden und kolokalisiert dort mit Smn. Im Mausmodell für die SMA konnte gezeigt werden, dass sich die Motoneurone von erkrankten Mäusen hinsichtlich der Morphologie ihrer Neuriten von solchen aus Wildtyp Mäusen unterscheiden. Werden hnRNP-R oder hnRNP-Q in kultivierten Nervenzellen exprimiert, so fördern sie das Wachstum von Neuriten. Bei SMA-Patienten ohne Mutation im SMN Gen konnte allerdings weder Mutation noch Deletion in hnRNP-R oder hnRNP-Q nachgewiesen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit können entscheidend zu einem besseren Verständnis der motoneuronen spezifischen Funktion von Smn bei der SMA beitragen.
Der neurotrophe Wachstumsfaktor BDNF gehört neben NGF, NT-3 und NT-4/5 zur Familie der Neurotrophine. Er spielt eine wichtige Rolle für Überleben und Differenzierung von Nervenzellen und ist insbesondere auch verantwortlich für die Regulation synaptischer Plastizität. Besonders im Hippocampus, dem Ort der höchsten Expression von BDNF im adulten Gehirn, wirkt BDNF bei den Vorgängen von Lernen und Gedächtnis mit, welches als Phänomen der LTP untersucht werden kann. Bisher ist eine Lokalisation von BDNF-Protein mittels Immunfluoreszenz-Techniken im Gehirn der Maus oder Ratte nur sehr schwer gelungen. In den meisten Arbeiten gelang die Lokalisation von BDNF über den Nachweis von mRNA oder im Western Blot, die Gruppe von Conner et al. konnte einen qualitativen Nachweis von BDNF-Protein mittels eines eigens hergestellten Antiserums erbringen (Conner et al. 1997). Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Antiserums gegen BDNF zur subzellulären Lokalisation mittels Immunhistochemie. Durch die Verwendung von Immunfluoreszenz-gekoppelten Sekundärantikörpern sollte zum einen eine quantitative Bestimmung von BDNF möglich sein, zum anderen sollte durch die Möglichkeit einer nahezu dreidimensionalen Darstellung des Gewebes mittels Vibratomschnitten auch eine Aussage über eine genauere Lokalisation von BDNF gemacht werden können. Um den immunhistochemischen Nachweis von BDNF-Protein im Hippocampus der Maus mittels Immunfluoreszenz führen zu können, wurde zunächst ein geeignetes Anti-serum benötigt. Zwei zu Vergleichszwecken ausgetestete kommerzielle Antikörper zeigten keine Färbung. Nach dem Vorbild zweier Arbeitsgruppen (Yan et al. 1997b und Conner et al. 1996, 1997) wurde ein Antiserum gegen humanes rekombinantes BDNF in Kaninchen hergestellt. Das Antiserum erhielt den Namen „BDNF RabbitB“. Die Spezifität des Antiserums wurde mittels Western Blot und in der Zellkultur anhand von Hühnchen-DRGs überprüft. Im Western Blot zeigte das Antiserum eine spezifische Anfärbung von rekombinantem BDNF sowie im Hippocampus-Proteinextrakt. In der Kontrolle mit Präimmunserum zeigte sich keine Anfärbung. In der Zellkultur mit Hühnchen-DRGs konnte eine blockierende Wirkung des Antiserums in Gegenwart von BDNF als neurotrophem Wachstumsfaktor im Zellkulturmedium nachgewiesen werden, es zeigte sich eine signifikante Reduktion des Überlebens von Zellen bei einer Verdünnung des Antiserums von 1:1.000. Das Präimmunserum zeigte keine Wirkung. Eine Kreuzreaktivität mit NGF als strukturähnlichem Protein konnte ausgeschlossen werden, da das Antiserum in Gegenwart von NGF im Kulturmedium keine Wirkung zeigte. Anschließend galt es, die Methoden für die Immunhistochemie mit diesem Antiserum zu optimieren, da es Hinweise gab, daß gerade die Immunhistochemie neurotropher Faktoren sehr sensibel auf verschiedene Methoden reagiert. Daher wurden sowohl die Fixierungsmethode, unterschiedliche Gewebeschnitte, verschiedene Puffersysteme und immunhistochemische Färbemethoden untersucht und verglichen. Die Standard-Fixierungsmethode mit Phosphat-Puffer, modifiziert nach der Methode nach Yan et al. 1997b mit maximal 2 h Nachfixierung stellte sich als beste Methode heraus. Eine Kombination zweier verschiedener Puffer (TBS und PB) innerhalb der Fixierung ist ungünstig. Daher sollte innerhalb einer Methode immer bei einem Puffersystem geblieben werden, wobei hier insgesamt bei dem Vergleich von PBS, TBS und TRIS-Puffer sowohl in der Fixierung als auch in der Färbemethode dem Phosphat-Puffer der Vorzug gegeben wird, welches auch das Standard-System darstellt. Bei den Gewebeschnitten sind, wie ursprünglich geplant Vibratomschnitte zu bevorzugen. Insgesamt konnten jedoch mögliche Ursachen für die Anfälligkeit der BDNF-Immunreaktivität bei Fixierungs- und Färbemethoden hier nicht abschließend erklärt werden. Problematisch war die ausgeprägte Hintergrundfärbung des Antiserums v.a. in der Immunhistochemie, die nicht ausreichend behoben werden konnte. Insofern sollte das Antiserum für die Verwendung bei immunhistochemischen Färbungen noch weiter optimiert werden. Für die Verwendung in der Zellkultur ist das Antiserum auf Grund seiner BDNF-blockierenden Eigenschaften gut einsetzbar. Im Western Blot sollte „BDNF RabbitB“ in einer Verdünnung von 1:5.000, in Zellkultur mit 1:1.000 und in der Immunhistochemie mit Vibratomschnitten mit 1:2.000 eingesetzt werden.
Neurotrophe Faktoren haben ein breites Aufgabenfeld und spielen eine wichtige Rolle als Überlebensfaktoren embryonaler Neurone, bei Proliferation und Differenzierung im Nervensystem sowie als Modulatoren synaptischer Plastizität. Im ersten Themenkomplex der vorliegenden Arbeit wurden neurotrophe Faktoren als Modulatoren synaptischer Plastizität und ihr Einfluß auf die BDNF-Regulation im Hippocampus untersucht. Dabei wurde zunächst das selbsthergestellte polyclonale BDNF-Immunserum für die Anwendung in der Immunhistochemie und im Western Blot optimiert, doch es konnten bezüglich BDNF keine Veränderungen in Hippocampi CNTF-defizienter Mäuse gegenüber Wildtyp-Tieren festgestellt werden. Die Ergebnisse der Voruntersuchungen, die im Hippocampus CNTF-defizienter Tiere verminderte BDNF-Level gezeigt hatten, konnten somit nicht verifiziert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde an CNTF-defizienten Mäusen eine eingeschränkte LTP und LTD nachgewiesen. Zum besseren Verständnis der – laut LTP-Untersuchungen – veränderten Situation an der hippocampalen CA1-Synapse bei CNTF-defizienten Tieren wurden elektronenmikroskopische Bilder dieser Region angefertigt, deren Auswertung keine augenscheinlichen Unterschiede ergab. Im Stratum radiatum der CA1-Region war zudem keine spezifische CNTF-Färbung nachweisbar. Zur Klärung der Frage, ob es IGF-vermittelt nach Training zu hippocampaler BDNF-Hochregulation kommt, wurden Laufradexperimente mit wildtypischen und konditionalen IGF1-Rezeptor-knockout Mäusen durchgeführt und die jeweiligen BDNF-Level untersucht. Dabei wurde BDNF durch Laufradtraining in beiden Genotypen in ähnlichem Maße hochreguliert, was für alternative Wege der BDNF-Hochregulation spricht. Der zweite Themenkomplex befasste sich mit dem Einfluß neurotropher Faktoren auf die Proliferation und Differenzierung in Hippocampus und Cortex. BrdU-Inkorporationsexperimenten zeigten in der Körnerzellschicht des Gyrus dentatus gesteigerte Proliferationsraten bei CNTF-defizienten und CNTF&LIF-defizienten Mäusen, wobei LIF-defiziente Tiere keine veränderten Proliferationsraten zeigten. Untersuchungen an Kulturen cortikaler Vorläuferzellen bestätigten die Hypothese, wonach cortikale Vorläuferzellen zunächst Neurone bilden, die einen Faktor sezernieren, der auf die cortikalen Vorläuferzellen wirkt und sie zur Bildung von Astrozyten veranlasst. Es konnte gezeigt werden, dass CT-1 der Hypothese folgend in vitro und in vivo für die Einleitung der Astrozytogenese im Cortex verantwortlich ist.
Bag-1 Defizienz in Mäusen führt in der embryonalen Entwicklung zu einem lethalen Phänotyp mit schweren Defekten in Nervensystem und Leber. Neben der Expression der Inhibitor of Apoptosis Proteinen (IAP), ist ein Komplex aus Akt, Hsp70, Bag-1 und B-Raf für die Phosphorylierung eines spezifischen AS-Restes des pro-apoptotischen Proteins Bad für das Überleben wichtig (Gotz und Wiese et al., 2005). Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Funktionen der Maus Bag-1 Isoformen in der neuronalen Entwicklung anhand von in vitro Modellen näher zu charakterisieren. Überexpression von Bag-1S und Bag-1L in PC12 Zellen zeigte, dass Bag-1S im Zytoplasma und im Zellkern exprimiert wird, Bag-1L nur im Zellkern. Eine eingeführte Punktmutation, die die Interaktion mit Hsp70 verhindert, führte zu einer zytoplasmatischen Expression von Bag-1Sm. Die Mutante Bag-1Lm blieb nukleär lokalisiert. Überexpression von Bag-1S führte zu einer Reduktion der Neuritenlänge. Bag-1L und die mutanten Isoformen zeigten diesen Effekt nicht. Der inhibierende Einfluss von Bag-1S auf das Neuritenwachstum ist bislang spekulativ. Die Regulation erfolgt vermutlich über den Komplex Bag-1, Hsp70, Akt und B-Raf. Die Analyse von Bag-1 - /- Neuralen Stammzellen zeigte im Vergleich zu Bag-1 +/+ Neuralen Stammzellen eine erhöhte Apoptose. Wurde durch Vireninfektion Bag-1S oder Bag-1L zurück in die Zellen gebracht, waren diese wieder in der Lage zu überleben. Die Mutanten zeigten diese Effekte nicht, so dass Hsp70 ein notwendiger Interaktionspartner für die überlebensfördernde Wirkung von Bag-1 ist. Bag-1 -/- Neurale Stammzellen zeigten außerdem gliale Differenzierungsdefekte, die nicht durch eine Rückführung der Isoformen gerettet werden konnten. Zusätzliche Experimente, die Neurale Stammzellen gezielt in die gliale Differenzierung durch Gabe von CNTF oder LIF leiten, zeigten, dass Bag-1 -/- Neurale Stammzellen durchaus in der Lage sind, gliale Zellen zu bilden. Bag-1 gilt auch als Modulator nukleärer Rezeptoren, wie dem Glucocorticoid-Rezeptor (GR). Die Kotransfektion der Bag-1 Isoformen mit GR-GFP, zeigte Änderungen des Expressionsmusters bei Bag-1L und Bag-1Lm, jedoch nicht bei Bag-1S und Bag-1Sm. Die Etablierung einer Methode zur in vivo Analyse von Glucocorticoid-Signalwegen in der Neuroneogenese von adulten Mäusen, war in ihren ersten Ansätzen erfolgreich, so dass diese nach einigen Optimierungen für weitere Analysen genutzt werden kann.
Aufklärung des Pathomechanismus bei der pmn-Mausmutante, einem Mausmodell für Motoneuronerkrankungen
(2007)
Die pmn-Maus dient als Modell für degenerative Motoneuronerkrankungen: Während heterozygote Mäuse klinisch unauffällig sind, entwickeln homozygote einige Anzeichen, wie man sie auch bei humanen Motoneuronerkrankungen findet. Ab der 2. postnatalen Woche weisen sie eine progrediente Schwäche der Hinterläufe auf. Innerhalb kurzer Zeit sind auch andere Muskelgruppen betroffen, was zwischen der 4. und 6. postnatalen Woche zum Tod durch Atemversagen führt. Verantwortlich für die Erkrankung der pmn-Mäuse ist eine Punktmutation im Tubulin-spezifischen Chaperon E (tbce) Gen, die zu einem Aminosäureaustausch an einer evolutionär konservierten Aminosäure im TBCE-Protein führt. TBCE wird ubiquitär exprimiert und spielt eine Rolle bei der Assemblierung der Mikrotubuli. Phänotypisch sind von der Mutation spezifisch Motoneurone betroffen. Nach der Herstellung und Charakterisierung eines Antiserums gegen TBCE war es möglich, nach Unterschieden zwischen pmn-mutierten und wildtypischen Motoneuronen hinsichtlich der Stabilität und der subzellulären Lokalisation des TBCE Proteins zu suchen. Western Blot Analysen mit Rückenmarkslysaten von vier Wochen alten pmn-Mäusen zeigen eine deutliche Reduktion der TBCE-Expression. Mittels Immunfluoreszenz waren in isolierten embryonalen Motoneuronen indes keine Unterschiede hinsichtlich der Expressionsstärke und der subzellulären Lokalisation festzustellen. Das TBCE-Protein wird überwiegend im Zellsoma exprimiert und befindet sich dort im Golgi-Apparat und an den Centrosomen, die als Generatoren der axonalen Mikrotubuli angesehen werden. Obwohl mittels Immunfluoreszenz zu diesem Zeitpunkt keine Unterschiede detektierbar sind, weisen die pmn-mutierten Motoneurone nach sieben Tagen in Kultur einige axonale Pathologien auf, wenn sie in Gegenwart des neurotrophen Faktors BDNF kultiviert werden: Das Längenwachstum der Axone ist deutlich reduziert und entlang der Axone finden sich zahlreiche axonale Schwellungen mit Proteinaggregaten. Elektronenmikroskopisch findet sich eine Reduktion der Mikrotubulianzahl im proximalen Axonabschnitt, während die medialen und distalen Teile eine unveränderte Anzahl an Mikrotubuli aufweisen. Parallel findet sich in allen Axonabschnitten der pmn-mutierten Motoneurone eine deutliche Zunahme an Neurofilamenten. Neben den morphologischen Veränderungen weisen die Motoneurone aus pmn-Mäusen zu diesem Zeitpunkt auch eine Störung im axonalen Transport der Mitochondrien auf, die in den Axonen saltatorisch und bidirektional entlang von Mikrotubuli transportiert werden, auf. So ist die Anzahl stationärer Mitochondrien in pmn-mutierten Motoneuronen signifikant erhöht, während die Anzahl an transportierten Mitochondrien und deren maximale Transportgeschwindigkeit reduziert ist. Die morphologischen Veränderungen und die Störungen im axonalen Transport können kompensiert werden, wenn die pmn-mutierten Motoneurone statt mit BDNF mit dem neurotrophen Faktor CNTF kultiviert werden. Die Effekte von CNTF auf das Längenwachstum der Axone ist STAT3 vermittelt, da pmn-mutierte Motoneurone mit einer STAT3-Defizienz keine Reaktion mehr auf die Gabe von CNTF zeigen. Da STAT3 direkt mit Stathmin interagieren kann und dessen destabilisierende Wirkung auf Mikrotubuli dadurch verhindert, wurde angenommen, dass die STAT3 vermittelten CNTF Effekte auf eine lokale Wirkung von STAT3 in Axonen zurückzuführen ist. Diese Hypothese wird dadurch gestützt, dass die Herunterregulation der Stathmin Expression in pmn-mutierten Motoneuronen den gleichen Effekt auf das Längenwachstum zeigt, wie eine CNTF Gabe während der Kultivierung.
Der adoptive Transfer myelinspezifischer, enzephalithogener T-Lymphozyten führt bei Lewis-Ratten zu einer monophasisch verlaufenden Enzephalomyelitis (AT-EAE). Das Tiermodell AT-EAE ist gut geeignet, um die Transmigration von Lymphozyten über die Blut-Hirn-Schranke (BHS) ins Hirngewebe zu untersuchen. Der Einwanderung aktivierter Lymphozyten in das ZNS-Parenchym geht eine komplexe Kaskade von Zell-Zell-Interaktionen zwischen Lymphozyten und Endothel der BHS voraus. Die endothelialen Adhäsionsmoleküle Intercellular Adhesion Molecule 1 (ICAM-1) und Vascular Adhesion Molecule 1 (VCAM-1) sind entscheidend an diesem Prozess beteiligt. Mit einer kürzlich entwickelten, ultraschallbasierte molekularen Bildgebung und Quantifizierung ist die sequentielle Messung der Moleküle ICAM-1 und VCAM-1 im Verlauf der AT-EAE am lebenden Tier möglich. Schon vor dem Einsetzen der ersten klinischen Symptomatik zeigte sich bei den Versuchstieren ein Anstieg der Expression der Zelladhäsionsmoleküle ICAM-1- und VCAM-1.Diese Expression persistierte unerwartet über das Maximum der klinischen Symptomatik hinaus und bis in die Phasen der frühen Remission. Immunhistochemische Färbungen von Gehirn und Rückenmark bestätigten diese Expressionskinetik in situ. Darüber hinaus konnte histologisch und durchflusszytometrisch eine Persistenz CD4-positiver Lymphozyten in der frühen Remissionphase nachgewiesen werden. Hier war vor allem ein Anstieg der CD4- und FoxP3- positiven regulatorischen T-Zellen in der CD4 Subpopulation festzustellen. Diesen Zellen wird eine wichtige regulatorische Bedeutung für die Beendigung von Entzündungsreaktionen zugeschrieben. Ein experimentellen Beleg dafür, dass regulatorische Zellen in den Phasen der Remission die selben Migrationswege wie proinflammatorische Zellen nutzen, ergab sich durch die Blockade von ICAM-1 mit hohen Dosen eines monoklonalen Antikörpers. Wurde dieser AK in der Progressionsphase der Erkrankung gegeben, resultierte dies in einer signifikanten Reduktion der klinischen Symptomatik. Im Gegensatz dazu führte die spätere Gabe des Antikörpers in der frühen Remission zu einer signifikanten Verschlechterung des Krankheitverlaufes. In Zusammenschau legen diese Ergebnisse die Hypothese nahe, dass Adhäsionsmoleküle wie ICAM-1 nicht nur an der Einwanderung pathogener proinflammatorischer Zellen entscheidend beteiligt sind, sondern dass sie auch die Einwanderung antiinflammorischer und regulatorischer Zellen in das ZNS ermöglichen, die für eine Abschwächung der Gewebsentzündung und Zerstörung wichtig sind. Therapeutische Intervention an der BHS sind auf dem Boden dieser Erkenntnisse wahrscheinlich stadienabhängig wirksam und könnten bei falschem Einsatz mehr schaden als nutzen. Molekulare Bildgebungstechniken, wie hier paradigmatisch für die. ultraschallbasierten SPAQ-Technologie gezeigt, werden deshalb in Zukunft für die Bestimmung der geeigneten Phase einer entzündlichen ZNS Erkrankung und damit den geeigneten Zeitpunkt für eine therapeutische Intervention großes Potential erlangen.
Die proximale spinale Muskelatrophie (SMA) stellt eine der häufigsten erblichen Ursachen für den Tod im Kindesalter dar. Die Patienten leiden unter symmetrischer, langsam progredienter Muskelschwäche und in schweren Fällen auch an sensiblen Ausfällen. Die neurodegenerative Erkrankung wird autosomal-rezessiv durch Deletion bzw. Mutationen des SMN1-Gens (survival motor neuron 1-Gens) auf Chromosom 5q13 vererbt. Das SMN-Protein wird ubiquitär exprimiert und findet sich in allen untersuchten Geweben in einem Multiproteinkomplex, dem sogenannten SMN-Komplex, der die Zusammenlagerung von spleißosomalen Komplexen koordiniert. Die Funktion solcher Komplexe ist für alle Zelltypen essentiell. Deshalb stellt sich die Frage, welcher Pathomechanismus für die Erkrankung SMA verantwortlich ist. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Überlebensraten der Smn–/–;SMN2-Motoneurone 14 Tage alter Mausembryonen gegenüber Smn+/+;SMN2-Motoneuronen (Kontrollen) nicht reduziert waren. Bei der morphologischen Untersuchung der Zellen zum gleichen Entwicklungszeitpunkt zeigten sich jedoch deutliche Unterschiede. Die Axonlängen der Smn-defizienten Motoneurone waren gegenüber Kontrollen signifikant verringert. Das Dendritenwachstum war nicht beeinträchtigt. Die Untersuchung der Wachstumskegel ergab bei den Smn–/–;SMN2 Motoneuronen eine signifikante Verminderung der Fläche gegenüber Kontrollen. Weiterhin zeigten sich Defekte im Zytoskelett. In den Motoneuronen von Kontrolltieren fand sich eine Anreicherung von beta-Aktin in perinukleären Kompartimenten sowie besonders stark in den Wachstumskegeln. Die beta-Aktin-Anreicherung nahm im Verlauf des Axons zu. In Smn–/–;SMN2-Motoneuronen war keine Anreicherung im distalen Axon oder in den Wachstumskegeln detektierbar. Eine gleichartige Verteilungsstörung fand sich für das SMN-Interaktionsprotein hnRNP R (heterogenous nuclear ribonucleoprotein R) und, wie andere Arbeiten zeigen konnten, auch für die beta-Aktin-mRNA, die spezifisch an hnRNP R bindet. In gleicher Weise wurden auch Veränderungen in den sensorischen Neuronen aus den Hinterwurzelganglien 14 Tage alter Mausembryonen untersucht. Bei Smn–/–;SMN2-Mäusen war die Neuritenlänge sensorischer Neurone im Vergleich zur Kontrolle gering, jedoch signifikant verkürzt und die Fläche der Wachstumskegel hochsignifikant verringert. Im Smn–/–;SMN2 Mausmodell für eine schwere Form der SMA fanden sich in den sensorischen Nervenzellen im Vergleich zu den Motoneuronen geringer ausgeprägte, jedoch gleichartige Veränderungen, was auf einen ähnlichen Pathomechanismus in beiden Zelltypen hinweist.
Differenzielle Wirkungen neurotropher Faktoren auf das Axon-und Dendritenwachstum von Motoneuronen
(2008)
In der vorliegenden Dissertation wurde die subzelluläre Lokalisation der Rezeptoren für die neurotrophen Faktoren BDNF, CNTF und GDNF in primären embryonalen und adulten Motoneuronen erstmalig genau charakterisiert. Die Rezeptoruntereinheiten des BDNF und CNTF Rezeptors, TrkB, p-TrkB, gp130 und p-Stat3, sind im Perikaryon, in Dendriten, im Axon und an den Axonterminalen bzw. Wachstumskegeln von Motoneuronen lokalisiert. Dabei sind die nativen Formen (TrkB, gp130) im Axon überwiegend membranständig, die aktivierten Formen (p-TrkB, p-Stat3) überwiegend im Inneren des Axons lokalisiert. Demgegenüber sind die Rezeptoruntereinheiten des GDNF Rezeptors, Ret und p-Ret, besonders stark in den Dendriten exprimiert. Auch im Perikaryon und an der neuromuskulären Endplatte sind Ret und p-Ret lokalisiert, nicht jedoch im Axon. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das durch neurotrophe Faktoren bedingte Neuritenwachstum genau quantifiziert. Dabei wurde zwischen einer Stimulation des Axon- bzw. des Dendritenwachstums differenziert. Die mit GDNF behandelten Dendriten werden etwa doppelt so lang wie die Dendriten, der mit BDNF oder CNTF behandelten Motoneurone. GDNF ist somit ein potenter Stimulator des Dendritenwachstums bei isolierten primären Motoneuronen. Dieser Befund korreliert gut mit der starken Expression von Ret und p-Ret in den Dendriten. Des Weiteren wurde eine Analyse der Interaktion der neurotrophen Faktoren mit dem glutamatergen AMPA Rezeptor in Hinblick auf das Neuritenwachstum durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die Interaktion zwischen neurotrophen Faktoren und dem AMPA Rezeptor besonders für das Dendritenwachstum von Bedeutung ist. Die klinische Bedeutung neurotropher Faktoren und deren Rezeptoren wird im dritten Teil der Arbeit dargestellt. Die pmn Maus ist ein Mausmodell für humane degenerative Erkrankungen des Motoneurons, wie der ALS und der SMA. Pmn Motoneurone, die mit BDNF oder GDNF kultiviert werden, weisen den charakteristischen axonalen Wachstumsdefekt der pmn Motoneurone auf und werden nur etwa halb so lang wie gesunde Kontrollmotoneurone. Bemerkenswerterweise führt die Behandlung der pmn Motoneurone mit CNTF zu einer kompletten Remission des axonalen Wachstumsdefekts, so dass die Axone eine normale Axonlänge erreichen. Auch die Anzahl der pathologischen axonalen Schwellungen werden in vitro durch CNTF stark reduziert. CNTF scheint demnach der interessanteste neurotrophe Faktor für eine Behandlung degenerativer Motoneuronerkrankungen zu sein.
Die Spinale Muskelatrophie (SMA) ist mit einer Inzidenz von 1:6000 die zweithäufigste autosomal-rezessive Erbkrankheit im frühen Kindesalter. Die durch den Verlust des SMN- (survival of motoneuron) Gens reduzierte SMN Protein Expression führt zu einer Degeneration der spinalen Motoneurone mit proximal betonter Muskelschwäche. Deshalb zielen erste Therapieversuche darauf ab, diese zu erhöhen. Es war gezeigt worden, dass durch den Einsatz von Histon Deacetylase Inhibitoren (HDAC) in neuronalen Kontroll Zellen und in nicht neuronalen Zellen von SMA Patienten die SMN Protein Expression signifikant gesteigert werden konnte. In der vorgelegten Arbeit wurde untersucht, ob die HDAC Inhibitoren Valproat, SAHA und FK228 Einfluss auf die SMN Protein Expression in kortikalen neuronalen Vorläuferzellen (NSC), auf primär embryonale Fibroblasten (PMEF) und auf die morphologischen Veränderungen in primär kultivierten embryonalen Motoneuronen eines Mausmodells der SMA haben. Es konnte eine signifikante Steigerung der SMN Protein Expression durch den Einsatz von Valproat und FK228 in kortikalen neuronalen Vorläuferzellen nachgewiesen werden. Es ergab sich jedoch kein Einfluss auf die SMN Protein Expression in primär embryonalen Fibroblasten. Bei NSCs und primär kultivierten embryonalen Motoneuronen wirkten die HDAC Inhibitoren Valproat und FK228 konzentrationsabhängig toxisch auf das Überleben, die Länge der Axone und die Größe der Wachstumskegel. Es konnte kein positiver Einfluss auf die morphologischen Veränderungen des Mausmodells gesehen werden. Zusammenfassend zeigte sich in der vorgelegten Arbeit ein positiver Effekt auf die SMN Protein Expression durch den Einsatz von HDAC Inhibitoren, der jedoch mit einem toxischen Effekt auf die behandelten neuronalen Zellen einherging.
Die Spinale Muskelatrophie (SMA) ist eine häufige autosomal-rezessiv vererbte Erkrankung des motorischen Nervensystems bei Kindern. Ursache der Degeneration von spinalen Motoneuronen ist der homozygote Verlust des SMN- (survival of motoneuron) Gens und ein dadurch bedingter Mangel an SMN-Protein. Untersuchungen an Motoneuronen von Smn-defizienten Mäusen ergaben Störungen des axonalen Längenwachstums aufgrund einer Fehlverteilung des Zytoskelettproteins beta-Aktin und seiner mRNA in den Axonterminalen. Das Axonwachstum wird durch Aktin-Polymerisierung im Wachstumskegel gesteuert. beta-Aktin-mRNA findet sich auch in Axonen, und die lokale Proteinsynthese kann durch neuronale Aktivierung gesteigert werden. Das SMN-Protein ist am axonalen Transport von beta-Aktin beteiligt. In der vorliegenden Arbeit ergaben Western Blot-Analysen in neuralen Stammzellen (NSC) sowie spinalen Motoneuronen in vitro eine Steigerung der SMN-Proteinexpression durch 8-CPT-cAMP. Zur Untersuchung der Auswirkungen der erhöhten SMN-Proteinmenge auf die Pathologie der Motoneurone wurde ein in-vitro-Assay entwickelt, mit dessen Hilfe gezeigt werden konnte, dass eine Behandlung mit 100 µM 8-CPT-cAMP die axonalen Veränderungen isolierter embryonaler Smn-defizienter Motoneurone kompensieren kann. Motoneurone von 14 Tage alten Smn-defizienten und Kontroll-Mausembryonen wurden über sieben Tage hinweg auf einer Matrix aus Poly-Ornithin und Laminin-111 bzw. Laminin-121/221 kultiviert und mit 100µM cAMP und neurotrophen Faktoren behandelt. Nach Fixierung wurden die Zellen mit Antikörpern gegen Islet-1/2, tau und beta-Aktin gefärbt, mit Hilfe eines konfokalen Mikroskops fotografiert und digital vermessen. 8-CPT-cAMP erhöht den beta-Aktin-Gehalt in den axonalen Wachstumskegeln von Smn-defizienten Motoneuronen. Die Größe der Wachstumskegel nimmt durch die Behandlung um das 2-3fache zu und erreicht normale Werte. Auf Laminin-111 bleibt das Längenwachstum der Axone durch 100µM 8-CPT-cAMP unbeeinflusst, auf Laminin-121/221 wird das Längenwachstum normalisiert. Die beta-Aktin-Verteilung innerhalb der Axone und Wachstumskegel von Smn-defizienten Motoneuronen erscheint durch die cAMP-Behandlung nahezu normalisiert. Die Wiederherstellung der beta-Aktin-Verteilung in Wachstumskegeln durch cAMP kann große Auswirkungen auf die Funktionalität der Motoneurone haben. Die Ergebnisse sind möglicherweise ein erster Schritt auf dem Weg zu einer Therapie für die Spinale Muskelatrophie.
Die proximale spinale Muskelatrophie (SMA) ist eine autosomal rezessive Erb-krankheit, welche durch fortschreitende Muskelatrophie mit Betonung der pro-ximalen Extremitäten, sowie zunehmende motorische Lähmungen charakterisiert wird. Bedingt wird diese neurodegenerative Erkrankung durch Mutation bzw. Deletion des SMN1-Gens auf Chromosom 5q13. Dies führt zu reduzierten Mengen des ubiquitär exprimierten SMN-Proteins, da der Verlust des SMN1-Gens nicht durch das noch verbleibende SMN2-Gen kompensiert werden kann. Die SMN-Promotor-Region enthält ein CRE II bindendes Element, welches Effekte von zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP) vermittelt und so die SMN-Transkription in untersuchten Zellen stimuliert. Ausgehend von diesem Befund stellte sich die Frage, ob cAMP dem Mangel an volllängen SMN bei der SMA entgegen wirkt. Daher wurden für diese Dissertation neurosphärenbildende kortikale Vorläuferzellen und primär kultivierte Motoneuronen von Smn+/+; SMN2- und Smn–/–;SMN2-Mausembryonen untersucht, um zu klären, ob die cAMP-Behandlung der Zellen zu einer Hochregulierung des SMN2-Transkripts führt, und durch die resultierende Erhöhung des SMN-Proteingehalts morphologische und funktionelle Defekte kompensiert werden. Die Untersuchung zeigte eine signifikante Zunahme des SMN2-Transkriptgehalts in Anwesenheit von cAMP. Dadurch kam es zu einem Anstieg der SMN-Proteinmenge im Soma, Axon und Wachstumskegel von Smn–/–;SMN2-Motoneuronen. Die Verteilungs-störung des SMN-Interaktionspartners hnRNP R mit fehlender kontrolltypischer Anreicherung im distalen Axon und Wachstumskegel von Smn–/–;SMN2-Motoneuronen wurde ebenfalls durch cAMP kompensiert. Smn-defiziente Mo-toneurone zeigten im Vergleich zu Kontrollzellen kleinere Wachstumskegel sowie ein Defizit an β-Aktin im distalen Axon. Zudem fehlte in Smn–/–;SMN2-Motoneuronen die bei Kontrollen ausgeprägte Zusammenlagerung von N-Typ spezifischen Ca2+-Kanälen in der Präsynapse, die nach Kontakt mit der β2-Kette des endplattenspezifischen Laminin-221 spontan öffnen und so einen in-trazellulären Kalziumanstieg bewirken, wodurch es zu Erregbarkeitsstörungen und Axonelongationsdefekten bei Smn-defizienten Motoneuronen kommt. Die Behandlung der Smn-defizienten Motoneuronen mit cAMP führte zur Vergrößerung der Wachstumskegelfläche und zu einer im Verlauf des Axons zunehmenden Anfärbung mit β-Aktin. Außerdem kam es zu einer Erhöhung der Menge an Cav2.2-Kanalprotein in den Wachstumskegeln Smn-defizienter Motoneurone, was mit einer erhöhten Erregbarkeit korrelierte und zu einer Normalisierung der Axonlänge von Smn–/–;SMN2-Motoneuronen auf Laminin-221 führte. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen die Vermutung zu, dass Smn-defiziente Motoneurone in vivo Defekte im präsynaptischen Bereich der Motorendplatte aufweisen. In Zukunft können mit dem beschriebenen in vitro Assay weitere Substanzen, welche die SMN2-Traskription stimulieren, auf ihr kompensatorisches Potential getestet werden.
Die Rolle der Hirnrinde als Zentrum komplexer Funktionen wie Lernen und Ge-dächtnis wird nicht zuletzt durch deren komplexe, in Schichten organisierte Architek-tur ermöglicht. Von entscheidender Bedeutung ist die präzise Positionierung von Nervenzellen, die im Laufe der Embryonalentwicklung in der Ventrikularzone (VZ) geboren werden und anschließend in radialer Richtung zu ihrem Bestimmungsort wandern. Die Funktion des Neurotrophin-Rezeptors TrkB an der Entwicklung des zerebralen Kortex war Gegenstand dieser Arbeit. Am Tag 12,5 der Embryonalentwicklung konnte die Expression von TrkB so-wohl in den Zellen der VZ als auch in neu geborenen Neuronen der Präplatte nach-gewiesen werden. Die Phosphorylierung des Rezeptors erfolgte dabei unabhängig von den beiden Liganden BDNF und NT-3. Ebenso führten BDNF oder NT-3 zu keiner zellulären Antwort in isolierten kortikalen Vorläuferzellen, wohingegen die Stimulation mit EGF eine Phosphorylierung von TrkB an der PLCγ- und der Shc-Bindungsstelle hervorrief. Durch pharmakologische Inhibition und die Überexpression dominant negativer Src-Mutanten konnte die Beteiligung des EGF-Rezeptors und zweier neuronal exprimierter Src-Kinasen, cSrc und Fyn, an dieser Transaktivierung von TrkB durch EGF gezeigt werden. Durch die Zugabe von EGF kam es im Zuge der Aktivierung von TrkB auch zur Umverteilung des Rezeptors von intrazellulären Kompartimenten zur Zellmem-bran. Die Retention des Rezeptors im Zytoplasma wurde über post-translationelle Modifikation reguliert. Die Verhinderung von N-Glykosylierung durch Tunicamycin-Behandlung kortikaler Vorläuferzellen führte zur Exposition von TrkB an der Zellober-fläche und konnte so Responsivität gegenüber BDNF herstellen. Die physiologische Bedeutung einer Transaktivierung von TrkB durch EGF wurde durch das Fehlen der TrkB-Aktivierung in EGFR KO-Mäusen am Embryonal-tag 12,5 gezeigt. Dies hatte eine fehlerhafte Positionierung kortikaler Nervenzellen zum Zeitpunkt E15,5 zur Folge. Anhand eines Migrationsassays konnte schließlich gezeigt werden, dass die EGF-induzierte Wanderung kortikaler Vorläuferzellen in vitro mit einer asymmetrischen Translokation von TrkB einhergeht. Über die Transaktivierung von TrkB in frühen Phasen der Kortexentwicklung spielt EGF eine wichtige Rolle bei der Induktion neuronaler Differenzierung und ist an der Regulation der Wanderung postmitotischer Neurone in der Hirnrinde beteiligt.
In dieser Arbeit sollte die Funktion der Ribosomalen S6 Kinase 2 (RSK2) auf neuronaler Ebene untersucht werden. Dahingehend gab es, z.B. auf Grund der Phänotypen von Fliegen und Mäusen mit Mutationen im entsprechenden Gen oder von Patienten mit Coffin-Lowry-Syndrom (CLS) nur Vermutungen. Es bestand letztlich die Hoffnung, einen Beitrag zur Aufklärung der Pathophysiologie des CLS zu leisten. Es stellte sich auf Grund von Experimenten sowohl in vivo als auch in vitro in verschiedenen Modellsystemen in dieser Arbeit heraus, daß RSK2 einen negativen Einfluß auf das Neuriten- und Synapsenwachstum hat. In kultivierten Motoneuronen führte der KO von RSK2 zu längeren Axonen und die Überexpression eines konstitutiv aktiven RSK2-Konstrukts zu kürzeren Axonen. In PC12-Zellen führte die Expression von konstitutiv aktiven RSK2 Konstrukten zur Verkürzung der Neuriten und die Expression eines Kinase-inaktiven RSK2 Konstrukts zu längeren Neuriten. In vivo war die neuromuskuläre Synapse bei RSK2-KO Mäusen vergrößert und hatte bei Drosophila rsk Mutanten mehr Boutons. Das RSK2-Protein ist in Motoneuronen der Maus und in überexprimierter Form in den Boutons der neuromuskulären Synapse bei Drosophila nachweisbar. Damit wurde zum ersten Mal die Funktion von RSK2 auf neuronaler Ebene beschrieben. Bezüglich des Mechanismus, wie RSK2 das Nervenwachstum beeinflußt gab es deutliche Hinweise, die dafür sprechen, daß RSK2 dies über eine in der Literatur schon häufiger beschriebene Hemmung der MAPK ERK1/2 erreicht. Für diese Hypothese spricht die Tatsache, daß die ERK-Phosphorylierung in murinen Motoneuronen und im Rückenmark embryonaler Mäuse der RSK2-Mutante erhöht ist und der Axonwachstumsdefekt durch eine Hemmung von MEK/ERK behoben werden kann. Auch ist die ERK-Phosphorylierung an der murinen Muskel-Endplatte in der Mutante erhöht. Zudem zeigen genetische Epistasis-Experimente in Drosophila, daß RSK die Bouton-Zahl über ERK/RL hemmt. RSK scheint also in Drosophila von der Funktion her der RSK2-Isoform in Wirbeltieren sehr ähnlich zu sein. Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist die Beobachtung, daß RSK2 bei Motoneuronen keinen wesentlichen Einfluß auf das Überleben der Zellen in Gegenwart neurotropher Faktoren hat. Möglicherweise spielen hier redundante Funktionen der RSK Familienmitglieder eine Rolle. Ein bislang unerklärter Befund ist die reduzierte Frequenz spontaner Depolarisationen bzw. damit einhergehender Ca2+ Einströme bei RSK2-KO Motoneuronen in Zellkultur. Die Häufigkeit und Dichte von Ca2+-Kanälen und aktive Zonen Proteinen war in Motoneuronen nicht von der Anwesenheit des RSK2-Proteins abhängig. Im Hippocampus konnte außerdem das RSK2-Protein präsynaptisch in den Moosfaser-Boutons der CA3 Region nachgewiesen werden. Es befindet sich auch in den Pyramidenzellen, aber nicht in den Pyramidenzell-Dendriten in CA3. Bezüglich der Bedeutung dieser Befunde für die Aufklärung der Pathologie des CLS ist zu folgern, daß der neuro-psychologische Phänotyp bei CLS Patienten wahrscheinlich nicht durch reduziertes Überleben von Neuronen, sondern eher durch disinhibiertes Axonwachstum oder Synapsenwachstum bedingt ist. Dies kann grob sowohl für die peripheren als auch die zentralen Defekte gelten, denn die Synapsen im ZNS und am Muskel sind in ihrer molekularen Ausstattung z.B. im Bereich der Vesikel, der aktiven Zonen oder der Transmitterausschüttung sehr ähnlich. Weiterhin könnte eine veränderte synaptische Plastizität u.a. an der Moosfaser-Pyramidenzell-Synapse in der CA3 Region des Hippocampus eine Rolle bei den kognitiven und mnestischen Einschränkungen der Patienten spielen. Die Entdeckung, daß aktiviertes ERK bei den beobachteten Effekten eine Rolle spielt kann für die Entwicklung von Therapiestrategien eine wertvolle Erkenntnis sein.
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.
Zusammenfassend konnte durch unsere Daten die eingangs gestellte Hypothese, dass Patienten mit SFN eine lokal und systemisch erhöhte Expression pro-inflammatorischer und algetischer Zytokine haben, auf lokaler Ebene bei der Untergruppe mit LD-SFN bestätigt werden. Bei der Untergruppe mit NLD-SFN waren keine Unterschiede bei den Zytokinexpressionen zwischen proximalen und distalen Hautbiopsien im Vergleich zu Kontrollprobanden nachweisbar. Zudem zeigten sich deutliche Unterschiede bei den Quotienten der IENFD zwischen beiden Untergruppen. Dies legt die Vermutung nahe, dass die Unterteilung in LD-SFN und NLD-SFN klinisch bedeutsam und ein möglicher Grundstein für das Verständnis der pathophysiologischen Mechanismen der SFN sein könnte. Hieraus könnten sich Fortschritte in der Diagnostik ergeben und gezielte symptomatische und vielleicht sogar kausale Therapien auf lokaler Ebene bei der SFN entwickeln.