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2D electrophysiology is often used to determine the electrical properties of neurons, while in the brain, neurons form extensive 3D networks. Thus, performing electrophysiology in a 3D environment provides a closer situation to the physiological condition and serves as a useful tool for various applications in the field of neuroscience. In this study, we established 3D electrophysiology within a fiber-reinforced matrix to enable fast readouts from transfected cells, which are often used as model systems for 2D electrophysiology. Using melt electrowriting (MEW) of scaffolds to reinforce Matrigel, we performed 3D electrophysiology on a glycine receptor-transfected Ltk-11 mouse fibroblast cell line. The glycine receptor is an inhibitory ion channel associated when mutated with impaired neuromotor behaviour. The average thickness of the MEW scaffold was 141.4 ± 5.7µm, using 9.7 ± 0.2µm diameter fibers, and square pore spacings of 100 µm, 200 µm and 400 µm. We demonstrate, for the first time, the electrophysiological characterization of glycine receptor-transfected cells with respect to agonist efficacy and potency in a 3D matrix. With the MEW scaffold reinforcement not interfering with the electrophysiology measurement, this approach can now be further adapted and developed for different kinds of neuronal cultures to study and understand pathological mechanisms under disease conditions.
Vitamin B6 deficiency has been linked to cognitive impairment in human brain disorders for decades. Still, the molecular mechanisms linking vitamin B6 to these pathologies remain poorly understood, and whether vitamin B6 supplementation improves cognition is unclear as well. Pyridoxal phosphatase (PDXP), an enzyme that controls levels of pyridoxal 5’-phosphate (PLP), the co-enzymatically active form of vitamin B6, may represent an alternative therapeutic entry point into vitamin B6-associated pathologies. However, pharmacological PDXP inhibitors to test this concept are lacking. We now identify a PDXP and age-dependent decline of PLP levels in the murine hippocampus that provides a rationale for the development of PDXP inhibitors. Using a combination of small molecule screening, protein crystallography and biolayer interferometry, we discover and analyze 7,8-dihydroxyflavone (7,8-DHF) as a direct and potent PDXP inhibitor. 7,8-DHF binds and reversibly inhibits PDXP with low micromolar affinity and sub-micromolar potency. In mouse hippocampal neurons, 7,8-DHF increases PLP in a PDXP-dependent manner. These findings validate PDXP as a druggable target. Of note, 7,8-DHF is a well-studied molecule in brain disorder models, although its mechanism of action is actively debated. Our discovery of 7,8-DHF as a PDXP inhibitor offers novel mechanistic insights into the controversy surrounding 7,8-DHF-mediated effects in the brain.
Plexus injury often occurs after motor vehicle accidents and results in lifelong disability with severe neuropathic pain. Surgical treatment can partially restore motor functions, but sensory loss and neuropathic pain persist. Regenerative medicine concepts, such as cell replacement therapies for restoring dorsal root ganglia (DRG) function, set high expectations. However, up to now, it is unclear which DRG cell types are affected by nerve injury and can be targeted in regenerative medicine approaches.
This study followed the hypothesis that satellite glial cells (SGCs) might be a suitable endogenous cell source for regenerative medicine concepts in the DRG. SGCs originate from the same neural crest-derived cell lineage as sensory neurons, making them attractive for neural repair strategies in the peripheral nervous system. Our hypothesis was investigated on three levels of experimentation. First, we asked whether adult SGCs have the potential of sensory neuron precursors and can be reprogrammed into sensory neurons in vitro. We found that adult mouse DRG harbor SGC-like cells that can still dedifferentiate into progenitor-like cells. Surprisingly, expression of the early developmental transcription factors Neurog1 and Neurog2 was sufficient to induce neuronal and glial cell phenotypes. In the presence of nerve growth factor, induced neurons developed a nociceptor-like phenotype expressing functional nociceptor markers, such as the ion channels TrpA1, TrpV1 and NaV1.9. In a second set of experiments, we used a rat model for peripheral nerve injury to look for changes in the DRG cell composition. Using an unbiased deep learning-based approach for cell analysis, we found that cellular plasticity responses after nerve injury activate SGCs in the whole DRG. However, neither injury-induced neuronal death nor gliosis was observed. Finally, we asked whether a severe nerve injury changed the cell composition in the human DRG. For this, a cohort of 13 patients with brachial plexus injury was investigated. Surprisingly, in about half of all patients, the injury-affected DRG showed no characteristic DRG tissue. The complete entity of neurons, satellite cells, and axons was lost and fully replaced by mesodermal/connective tissue. In the other half of the patients, the basic cellular entity of the DRG was well preserved. Objective deep learning-based analysis of large-scale bioimages of the “intact” DRG showed no loss of neurons and no signs of gliosis.
This study suggests that concepts for regenerative medicine for restoring DRG function need at least two translational research directions: reafferentation of existing DRG units or full replacement of the entire multicellular DRG structure. For DRG replacement, SGCs of the adult DRG are an attractive endogenous cell source, as the multicellular DRG units could possibly be rebuilt by transdifferentiating neural crest-derived sensory progenitor cells into peripheral sensory neurons and glial cells using Neurog1 and Neurog2.
The signals that coordinate and control movement in vertebrates are transmitted from motoneurons (MNs) to their target muscle cells at neuromuscular junctions (NMJs). Human NMJs display unique structural and physiological features, which make them vulnerable to pathological processes. NMJs are an early target in the pathology of motoneuron diseases (MND). Synaptic dysfunction and synapse elimination precede MN loss suggesting that the NMJ is the starting point of the pathophysiological cascade leading to MN death. Therefore, the study of human MNs in health and disease requires cell culture systems that enable the connection to their target muscle cells for NMJ formation. Here, we present a human neuromuscular co-culture system consisting of induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived MNs and 3D skeletal muscle tissue derived from myoblasts. We used self-microfabricated silicone dishes combined with Velcro hooks to support the formation of 3D muscle tissue in a defined extracellular matrix, which enhances NMJ function and maturity. Using a combination of immunohistochemistry, calcium imaging, and pharmacological stimulations, we characterized and confirmed the function of the 3D muscle tissue and the 3D neuromuscular co-cultures. Finally, we applied this system as an in vitro model to study the pathophysiology of Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) and found a decrease in neuromuscular coupling and muscle contraction in co-cultures with MNs harboring ALS-linked SOD1 mutation. In summary, the human 3D neuromuscular cell culture system presented here recapitulates aspects of human physiology in a controlled in vitro setting and is suitable for modeling of MND.
Ablation of BRaf Impairs Neuronal Differentiation in the Postnatal Hippocampus and Cerebellum
(2013)
This study focuses on the role of the kinase BRaf in postnatal brain development. Mice expressing truncated, non-functional BRaf in neural stem cell-derived brain tissue demonstrate alterations in the cerebellum, with decreased sizes and fuzzy borders of the glomeruli in the granule cell layer. In addition we observed reduced numbers and misplaced ectopic Purkinje cells that showed an altered structure of their dendritic arborizations in the hippocampus, while the overall cornus ammonis architecture appeared to be unchanged. In male mice lacking BRaf in the hippocampus the size of the granule cell layer was normal at postnatal day 12 (P12) but diminished at P21, as compared to control littermates. This defect was caused by a reduced ability of dentate gyrus progenitor cells to differentiate into NeuN positive granule cell neurons. In vitro cell culture of P0/P1 hippocampal cells revealed that BRaf deficient cells were impaired in their ability to form microtubule-associated protein 2 positive neurons. Together with the alterations in behaviour, such as autoaggression and loss of balance fitness, these observations indicate that in the absence of BRaf all neuronal cellular structures develop, but neuronal circuits in the cerebellum and hippocampus are partially disturbed besides impaired neuronal generation in both structures.
Inflammation and dysregulation of the immune system are hallmarks of several neurodegenerative diseases. An activated immune response is considered to be the cause of myelin breakdown in demyelinating disorders. In the peripheral nervous system (PNS), myelin can be degraded in an autophagy-dependent manner directly by Schwann cells or by macrophages, which are modulated by T-lymphocytes. Here, we show that the NF-κB activator Pleckstrin homology containing family member 5 (Plekhg5) is involved in the regulation of both Schwann cell autophagy and recruitment of T-lymphocytes in peripheral nerves during motoneuron disease. Plekhg5-deficient mice show defective axon/Schwann cell units characterized by myelin infoldings in peripheral nerves. Even at late stages, Plekhg5-deficient mice do not show any signs of demyelination and inflammation. Using RNAseq, we identified a transcriptional signature for an impaired immune response in sciatic nerves, which manifested in a reduced number of CD4\(^+\) and CD8\(^+\) T-cells. These findings identify Plekhg5 as a promising target to impede myelin breakdown in demyelinating PNS disorders.
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.
In dorsal root ganglia (DRG) neurons TRESK channels constitute a major current component of the standing outward current IK\(_{SO}\). A prominent physiological role of TRESK has been attributed to pain sensation. During inflammation mediators of pain e.g. lysophosphatidic acid (LPA) are released and modulate nociception. We demonstrate co-expression of TRESK and LPA receptors in DRG neurons. Heterologous expression of TRESK and LPA receptors in Xenopus oocytes revealed augmentation of basal K\(^{+}\) currents upon LPA application. In DRG neurons nociception can result from TRPV\(_{1}\) activation by capsaicin or LPA. Upon co-expression in Xenopus oocytes LPA simultaneously increased both depolarising TRPV\(_{1}\) and hyperpolarising TRESK currents. Patch-clamp recordings in cultured DRG neurons from TRESK[wt] mice displayed increased IK\(_{SO}\) after application of LPA whereas under these conditions IK\(_{SO}\) in neurons from TRESK[ko] mice remained unaltered. Under current-clamp conditions LPA application differentially modulated excitability in these genotypes upon depolarising pulses. Spike frequency was attenuated in TRESK[wt] neurons and, in contrast, augmented in TRESK[ko] neurons. Accordingly, excitation of nociceptive neurons by LPA is balanced by co-activation of TRESK channels. Hence excitation of sensory neurons is strongly controlled by the activity of TRESK channels, which therefore are good candidates for the treatment of pain disorders.
Synapse-associated protein 1 (Syap1) is the mammalian homologue of synapse-associated protein of 47 kDa (Sap47) in Drosophila. Genetic deletion of Sap47 leads to deficiencies in short-term plasticity and associative memory processing in flies. In mice, Syap1 is prominently expressed in the nervous system, but its function is still unclear. We have generated Syap1 knockout mice and tested motor behaviour and memory. These mice are viable and fertile but display distinct deficiencies in motor behaviour. Locomotor activity specifically appears to be reduced in early phases when voluntary movement is initiated. On the rotarod, a more demanding motor test involving control by sensory feedback, Syap1-deficient mice dramatically fail to adapt to accelerated speed or to a change in rotation direction. Syap1 is highly expressed in cerebellar Purkinje cells and cerebellar nuclei. Thus, this distinct motor phenotype could be due to a so-far unknown function of Syap1 in cerebellar sensorimotor control. The observed motor defects are highly specific since other tests in the modified SHIRPA exam, as well as cognitive tasks like novel object recognition, Pavlovian fear conditioning, anxiety-like behaviour in open field dark-light transition and elevated plus maze do not appear to be affected in Syap1 knockout mice.
Objective
To determine whether IgG subclasses of antiparanodal autoantibodies are related to disease course and treatment response in acute- to subacute-onset neuropathies, we retrospectively screened 161 baseline serum/CSF samples and 66 follow-up serum/CSF samples.
Methods
We used ELISA and immunofluorescence assays to detect antiparanodal IgG and their subclasses and titers in serum/CSF of patients with Guillain-Barre syndrome (GBS), recurrent GBS (R-GBS), Miller-Fisher syndrome, and acute- to subacute-onset chronic inflammatory demyelinating polyradiculoneuropathy (A-CIDP). We evaluated clinical data retrospectively.
Results
We detected antiparanodal autoantibodies with a prevalence of 4.3% (7/161), more often in A-CIDP (4/23, 17.4%) compared with GBS (3/114, 2.6%). Longitudinal subclass analysis in the patients with GBS revealed IgG2/3 autoantibodies against Caspr-1 and against anti-contactin-1/Caspr-1, which disappeared at remission. At disease onset, patients with A-CIDP had IgG2/3 anti-Caspr-1 and anti-contactin-1/Caspr-1 or IgG4 anti-contactin-1 antibodies, IgG3 being associated with good response to IV immunoglobulins (IVIg). In the chronic phase of disease, IgG subclass of one patient with A-CIDP switched from IgG3 to IgG4.
Conclusion
Our data (1) confirm and extend previous observations that antiparanodal IgG2/3 but not IgG4 antibodies can occur in acute-onset neuropathies manifesting as monophasic GBS, (2) suggest association of IgG3 to a favorable response to IVIg, and (3) lend support to the hypothesis that in some patients, an IgG subclass switch from IgG3 to IgG4 may be the correlate of a secondary progressive or relapsing course following a GBS-like onset.
Objective
To identify and characterize patients with autoantibodies against different neurofascin (NF) isoforms.
Methods
Screening of a large cohort of patient sera for anti-NF autoantibodies by ELISA and further characterization by cell-based assays, epitope mapping, and complement binding assays.
Results
Two different clinical phenotypes became apparent in this study: The well-known clinical picture of subacute-onset severe sensorimotor neuropathy with tremor that is known to be associated with IgG4 autoantibodies against the paranodal isoform NF-155 was found in 2 patients. The second phenotype with a dramatic course of disease with tetraplegia and almost locked-in syndrome was associated with IgG3 autoantibodies against nodal and paranodal isoforms of NF in 3 patients. The epitope against which these autoantibodies were directed in this second phenotype was the common Ig domain found in all 3 NF isoforms. In contrast, anti–NF-155 IgG4 were directed against the NF-155–specific Fn3Fn4 domain. The description of a second phenotype of anti–NF-associated neuropathy is in line with some case reports of similar patients that were published in the last year.
Conclusions
Our results indicate that anti–pan-NF-associated neuropathy differs from anti–NF-155-associated neuropathy, and epitope and subclass play a major role in the pathogenesis and severity of anti–NF-associated neuropathy and should be determined to correctly classify patients, also in respect to possible differences in therapeutic response.
A GWAS study recently demonstrated single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the human GLRB gene of individuals with a prevalence for agoraphobia. GLRB encodes the glycine receptor (GlyRs) β subunit. The identified SNPs are localized within the gene flanking regions (3′ and 5′ UTRs) and intronic regions. It was suggested that these nucleotide polymorphisms modify GlyRs expression and phenotypic behavior in humans contributing to an anxiety phenotype as a mild form of hyperekplexia. Hyperekplexia is a human neuromotor disorder with massive startle phenotypes due to mutations in genes encoding GlyRs subunits. GLRA1 mutations have been more commonly observed than GLRB mutations. If an anxiety phenotype contributes to the hyperekplexia disease pattern has not been investigated yet. Here, we compared two mouse models harboring either a mutation in the murine Glra1 or Glrb gene with regard to anxiety and startle phenotypes. Homozygous spasmodic animals carrying a Glra1 point mutation (alanine 52 to serine) displayed abnormally enhanced startle responses. Moreover, spasmodic mice exhibited significant changes in fear-related behaviors (freezing, rearing and time spent on back) analyzed during the startle paradigm, even in a neutral context. Spastic mice exhibit reduced expression levels of the full-length GlyRs β subunit due to aberrant splicing of the Glrb gene. Heterozygous animals appear normal without an obvious behavioral phenotype and thus might reflect the human situation analyzed in the GWAS study on agoraphobia and startle. In contrast to spasmodic mice, heterozygous spastic animals revealed no startle phenotype in a neutral as well as a conditioning context. Other mechanisms such as a modulatory function of the GlyRs β subunit within glycinergic circuits in neuronal networks important for fear and fear-related behavior may exist. Possibly, in human additional changes in fear and fear-related circuits either due to gene-gene interactions e.g., with GLRA1 genes or epigenetic factors are necessary to create the agoraphobia and in particular the startle phenotype.
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.
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.
Background: Localization of mRNAs encoding cytoskeletal or signaling proteins to neuronal processes is known to contribute to axon growth, synaptic differentiation and plasticity. In addition, a still increasing spectrum of mRNAs has been demonstrated to be localized under different conditions and developing stages thus reflecting a highly regulated mechanism and a role of mRNA localization in a broad range of cellular processes.
Results: Applying fluorescence in-situ-hybridization with specific riboprobes on cultured neurons and nervous tissue sections, we investigated whether the mRNAs for two metabolic enzymes, namely glycogen synthase (GS) and glycogen phosphorylase (GP), the key enzymes of glycogen metabolism, may also be targeted to neuronal processes. If it were so, this might contribute to clarify the so far enigmatic role of neuronal glycogen. We found that the mRNAs for both enzymes are localized to axonal and dendritic processes in cultured lumbar spinal motoneurons, but not in cultured trigeminal neurons. In cultured cortical neurons which do not store glycogen but nevertheless express glycogen synthase, the GS mRNA is also subject to axonal and dendritic localization. In spinal motoneurons and trigeminal neurons in situ, however, the mRNAs could only be demonstrated in the neuronal somata but not in the nerves.
Conclusions: We could demonstrate that the mRNAs for major enzymes of neural energy metabolism can be localized to neuronal processes. The heterogeneous pattern of mRNA localization in different culture types and developmental stages stresses that mRNA localization is a versatile mechanism for the fine-tuning of cellular events. Our findings suggest that mRNA localization for enzymes of glycogen metabolism could allow adaptation to spatial and temporal energy demands in neuronal events like growth, repair and synaptic transmission.
Spontaneous Ca\(^{2+}\) transients and actin dynamics in primary motoneurons correspond to cellular differentiation such as axon elongation and growth cone formation. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and its receptor trkB support both motoneuron survival and synaptic differentiation. However, in motoneurons effects of BDNF/trkB signaling on spontaneous Ca\(^{2+}\) influx and actin dynamics at axonal growth cones are not fully unraveled. In our study we addressed the question how neurotrophic factor signaling corresponds to cell autonomous excitability and growth cone formation. Primary motoneurons from mouse embryos were cultured on the synapse specific, β2-chain containing laminin isoform (221) regulating axon elongation through spontaneous Ca\(^{2+}\) transients that are in turn induced by enhanced clustering of N-type specific voltage-gated Ca\(^{2+}\) channels (Ca\(_{v}\)2.2) in axonal growth cones. TrkB-deficient (trkBTK\(^{-/-}\)) mouse motoneurons which express no full-length trkB receptor and wildtype motoneurons cultured without BDNF exhibited reduced spontaneous Ca\(^{2+}\) transients that corresponded to altered axon elongation and defects in growth cone morphology which was accompanied by changes in the local actin cytoskeleton. Vice versa, the acute application of BDNF resulted in the induction of spontaneous Ca\(^{2+}\) transients and Ca\(_{v}\)2.2 clustering in motor growth cones, as well as the activation of trkB downstream signaling cascades which promoted the stabilization of β-actin via the LIM kinase pathway and phosphorylation of profilin at Tyr129. Finally, we identified a mutual regulation of neuronal excitability and actin dynamics in axonal growth cones of embryonic motoneurons cultured on laminin-221/211. Impaired excitability resulted in dysregulated axon extension and local actin cytoskeleton, whereas upon β-actin knockdown Ca\(_{v}\)2.2 clustering was affected. We conclude from our data that in embryonic motoneurons BDNF/trkB signaling contributes to axon elongation and growth cone formation through changes in the local actin cytoskeleton accompanied by increased Ca\(_{v}\)2.2 clustering and local calcium transients. These findings may help to explore cellular mechanisms which might be dysregulated during maturation of embryonic motoneurons leading to motoneuron disease.
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.
Background: Glioblastoma multiforme (GBM) and metastatic triple-negative breast cancer (TNBC) with PTEN mutations often lead to brain dissemination with poor patient outcome, thus new therapeutic targets are needed. To understand signaling, controlling the dynamics and mechanics of brain tumor cell migration, we implemented GBM and TNBC cell lines and designed 3D aligned microfibers and scaffolds mimicking brain structures. Methods: 3D microfibers and scaffolds were printed using melt electrowriting. GBM and TNBC cell lines with opposing PTEN genotypes were analyzed with RHO-ROCK-PTEN inhibitors and PTEN rescue using live-cell imaging. RNA-sequencing and qPCR of tumor cells in 3D with microfibers were performed, while scanning electron microscopy and confocal microscopy addressed cell morphology. Results: In contrast to the PTEN wildtype, GBM and TNBC cells with PTEN loss of function yielded enhanced durotaxis, topotaxis, adhesion, amoeboid migration on 3D microfibers and significant high RHOB expression. Functional studies concerning RHOB-ROCK-PTEN signaling confirmed the essential role for the above cellular processes. Conclusions: This study demonstrates a significant role of the PTEN genotype and RHOB expression for durotaxis, adhesion and migration dependent on 3D. GBM and TNBC cells with PTEN loss of function have an affinity for stiff brain structures promoting metastasis. 3D microfibers represent an important tool to model brain metastasizing tumor cells, where RHO-inhibitors could play an essential role for improved therapy.
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.
Background: During early prenatal stages of brain development, serotonin (5-HT)-specific neurons migrate through somal translocation to form the raphe nuclei and subsequently begin to project to their target regions. The rostral cluster of cells, comprising the median and dorsal raphe (DR), innervates anterior regions of the brain, including the prefrontal cortex. Differential analysis of the mouse 5-HT system transcriptome identified enrichment of cell adhesion molecules in 5-HT neurons of the DR. One of these molecules, cadherin-13 (Cdh13) has been shown to play a role in cell migration, axon pathfinding, and synaptogenesis. This study aimed to investigate the contribution of Cdh13 to the development of the murine brain 5-HT system.
Methods: For detection of Cdh13 and components of the 5-HT system at different embryonic developmental stages of the mouse brain, we employed immunofluorescence protocols and imaging techniques, including epifluorescence, confocal and structured illumination microscopy. The consequence of CDH13 loss-of-function mutations on brain 5-HT system development was explored in a mouse model of Cdh13 deficiency.
Results: Our data show that in murine embryonic brain Cdh13 is strongly expressed on 5-HT specific neurons of the DR and in radial glial cells (RGCs), which are critically involved in regulation of neuronal migration. We observed that 5-HT neurons are intertwined with these RGCs, suggesting that these neurons undergo RGC-guided migration. Cdh13 is present at points of intersection between these two cell types. Compared to wildtype controls, Cdh13-deficient mice display increased cell densities in the DR at embryonic stages E13.5, E17.5, and adulthood, and higher serotonergic innervation of the prefrontal cortex at E17.5.
Conclusion: Our findings provide evidence for a role of CDH13 in the development of the serotonergic system in early embryonic stages. Specifically, we indicate that Cdh13 deficiency affects the cell density of the developing DR and the posterior innervation of the prefrontal cortex (PFC), and therefore might be involved in the migration, axonal outgrowth and terminal target finding of DR 5-HT neurons. Dysregulation of CDH13 expression may thus contribute to alterations in this system of neurotransmission, impacting cognitive function, which is frequently impaired in neurodevelopmental disorders including attention-deficit/hyperactivity and autism spectrum disorders.
Physical exercise can convey a protective effect against cognitive decline in ageing and Alzheimer’s disease. While the long-term health-promoting and protective effects of exercise are encouraging, it’s potential to induce neuronal and vascular plasticity in the ageing brain is still poorly understood. It remains unclear whether exercise slows the trajectory of normal ageing by modifying vascular and metabolic risk factors and/or consistently boosts brain function by inducing structural and neurochemical changes in the hippocampus and related medial temporal lobe circuitry—brain areas that are important for learning and memory. Hence, it remains to be established to what extent exercise interventions in old age can improve brain plasticity above and beyond preservation of function. Existing data suggest that exercise trials aiming for improvement and preservation may require different outcome measures and that the balance between the two may depend on exercise intensity and duration, the presence of preclinical Alzheimer’s disease pathology, vascular and metabolic risk factors and genetic variability.
Cell-autonomous axon growth of young motoneurons is triggered by a voltage-gated sodium channel
(2013)
Spontaneous electrical activity preceding synapse formation contributes to the precise regulation of neuronal development. Examining the origins of spontaneous activity revealed roles for neurotransmitters that depolarize neurons and activate ion channels. Recently, we identified a new molecular mechanism underlying fluctuations in spontaneous neuronal excitability. We found that embryonic motoneurons with a genetic loss of the low-threshold sodium channel Na\(_V\)1.9 show fewer fluctuations in intracellular calcium in axonal compartments and growth cones than wild-type littermates. As a consequence, axon growth of Na\(_V\)1.9-deficient motoneurons in cell culture is drastically reduced while dendritic growth and cell survival are not affected. Interestingly, Na\(_V\)1.9 function is observed under conditions that would hardly allow a ligand- or neurotransmitter-dependent depolarization. Thus, Na\(_V\)1.9 may serve as a cell-autonomous trigger for neuronal excitation. In this addendum, we discuss a model for the interplay between cell-autonomous local neuronal activity and local cytoskeleton dynamics in growth cone function.
Bei Yeast Two-Hybrid Untersuchungen wurde in unserer Arbeitsgruppe das RNA-Bindungsprotein hnRNP-R als Interaktionspartner von SMN gefunden und es konnte gezeigt werden, dass hnRNP-R mit SMN in Axonen von primären Motoneuronen kolokalisiert (Rossoll et al., 2002). hnRNP-R assoziiert mit der β-Aktin mRNA und nach Überexpression kommt es zu einer Akkumulation von β-Aktin in den Wachstumskegeln von neuronalen Zellen, sowie zu verstärktem Neuritenwachstum bei PC12 Zellen. Wird die SMN-Bindungsdomäne von hnRNP-R deletiert, ist dieser Effekt stark reduziert (Rossoll et al., 2003). Auf diesen in vitro Befunden ist die Hypothese begründet, dass hnRNP-R an der Translokation der β-Aktin mRNA in die Wachstumskegel von neuronalen Zellen beteiligt ist. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit die Rolle von hnRNP-R bei der Entwicklung in Neuronen des Nervensystems näher untersucht. Dazu wurden Zebrafisch Embryonen als in vivo Modellsystem für Morpholino vermittelte Knockdown Untersuchungen gewählt. Zunächst wurde ein gegen murines Protein hergestelltes hnRNP-R Antiserum charakterisiert und gezeigt, dass es das Zebrafisch Protein spezifisch erkennt. Dieses Antiserum wurde in Western Blot Analysen verwendet um den hnRNP-R Knockdown in Zebrafisch Embryonen zu verifizieren. Bei den hnRNP-R Morpholino injizierten Embryonen konnten dosisabhängig axonale Veränderungen beobachtet werden. Diese Veränderungen stimmen mit einem Krankheitsmodell für SMA im Zebrafisch überein. Es konnte gezeigt werden, dass das Überleben primärer Motoneurone in Zebrafisch Embryonen nicht beeinträchtigt ist und dass andere neuronale Zellen keine signifikante Beeinflussung durch einen hnRNP-R Knockdown erfahren. Um die Spezifität des axonalen Phänotyps, der durch hnRNP-R Knockdown hervorgerufen wurde zu belegen, wurde mit muriner hnRNP-R mRNA ein Rescue-Experiment durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass dabei der axonale Phänotyp weitestgehend wieder aufgehoben wurde. Parallel zu den Zebrafisch Experimenten wurde ein hnRNP-R Knockout Konstrukt mittels homologer Rekombination in Escherichia coli hergestellt und in murine embryonale Stammzellen elektroporiert. Die Charakterisierung einer hnRNP-R Knockout Maus könnte weitere bedeutende Einsichten in die in vivo Funktionen von hnRNP-R bei der Embryonalentwicklung und speziell der Entwicklung von Motoneuronen gewähren. Um der Frage nach zu gehen, welche mRNAs in Wachstumskegeln von Axonen primärer Maus Motoneuronen zu finden sind oder durch Transportprozesse lokal akkumuliert sind,wurden Versuche unternommen, um mittels Laser-Mikrodissektion einzelne Wachstumskegel von Motoneuronen für Untersuchungen der enthaltenen mRNAs zu gewinnen. Erstmalig ist es im Rahmen dieser Arbeit gelungen, kompartimentalisierte Kulturen von primären Motoneuronen der Maus zu etablieren. Damit wurde die Grundlage geschaffen, um RNA-Profile von distalen Zellkompartimenten wie den Axonen und Wachstumskegeln zu bestimmen.
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.
Ciliary Neurotrophic Factor
(1994)
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.
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.
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.
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.
Brain-wide neural circuits enable bi- and quadrupeds to express adaptive locomotor behaviors in a context- and state-dependent manner, e.g., in response to threats or rewards. These behaviors include dynamic transitions between initiation, maintenance and termination of locomotion. Advances within the last decade have revealed an intricate coordination of these individual locomotion phases by complex interaction of multiple brain circuits. This review provides an overview of the neural basis of state-dependent modulation of locomotion initiation, maintenance and termination, with a focus on insights from circuit-centered studies in rodents. The reviewed evidence indicates that a brain-wide network involving excitatory circuit elements connecting cortex, midbrain and medullary areas appears to be the common substrate for the initiation of locomotion across different higher-order states. Specific network elements within motor cortex and the mesencephalic locomotor region drive the initial postural adjustment and the initiation of locomotion. Microcircuits of the basal ganglia, by implementing action-selection computations, trigger goal-directed locomotion. The initiation of locomotion is regulated by neuromodulatory circuits residing in the basal forebrain, the hypothalamus, and medullary regions such as locus coeruleus. The maintenance of locomotion requires the interaction of an even larger neuronal network involving motor, sensory and associative cortical elements, as well as defined circuits within the superior colliculus, the cerebellum, the periaqueductal gray, the mesencephalic locomotor region and the medullary reticular formation. Finally, locomotor arrest as an important component of defensive emotional states, such as acute anxiety, is mediated via a network of survival circuits involving hypothalamus, amygdala, periaqueductal gray and medullary premotor centers. By moving beyond the organizational principle of functional brain regions, this review promotes a circuit-centered perspective of locomotor regulation by higher-order states, and emphasizes the importance of individual network elements such as cell types and projection pathways. The realization that dysfunction within smaller, identifiable circuit elements can affect the larger network function supports more mechanistic and targeted therapeutic intervention in the treatment of motor network disorders.
TrkB mediates the effects of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) in neuronal and nonnneuronal cells. Based on recent reports that TrkB can also be transactivated through epidermal growth-factor receptor (EGFR) signaling and thus regulates migration of early neurons, we investigated the role of TrkB in migration of lung tumor cells. Early metastasis remains a major challenge in the clinical management of non-small cell lung cancer (NSCLC). TrkB receptor signaling is associated with metastasis and poor patient prognosis in NSCLC. Expression of this receptor in A549 cells and in another adenocarcinoma cell line, NCI-H441, promoted enhanced migratory capacity in wound healing assays in the presence of the TrkB ligand BDNF. Furthermore, TrkB expression in A549 cells potentiated the stimulatory effect of EGF in wound healing and in Boyden chamber migration experiments. Consistent with a potential loss of cell polarity upon TrkB expression, cell dispersal and de-clustering was induced in A549 cells independently of exogeneous BDNF. Morphological transformation involved extensive cytoskeletal changes, reduced E-cadherin expression and suppression of E-cadherin expression on the cell surface in TrkB expressing tumor cells. This function depended on MEK and Akt kinase activity but was independent of Src. These data indicate that TrkB expression in lung adenoma cells is an early step in tumor cell dissemination, and thus could represent a target for therapy development.
Impairments in neuronal circuits underly multiple neurodevelopmental and neurodegenerative disorders. 3D cell culture models enhance the complexity of in vitro systems and provide a microenvironment closer to the native situation than with 2D cultures. Such novel model systems will allow the assessment of neuronal network formation and their dysfunction under disease conditions. Here, mouse cortical neurons are cultured from embryonic day E17 within in a fiber‐reinforced matrix. A soft Matrigel with a shear modulus of 31 ± 5.6 Pa is reinforced with scaffolds created by melt electrowriting, improving its mechanical properties and facilitating the handling. Cortical neurons display enhance cell viability and the neuronal network maturation in 3D, estimated by staining of dendrites and synapses over 21 days in vitro, is faster in 3D compared to 2D cultures. Using functional readouts with electrophysiological recordings, different firing patterns of action potentials are observed, which are absent in the presence of the sodium channel blocker, tetrodotoxin. Voltage‐gated sodium currents display a current–voltage relationship with a maximum peak current at −25 mV. With its high customizability in terms of scaffold reinforcement and soft matrix formulation, this approach represents a new tool to study neuronal networks in 3D under normal and, potentially, disease conditions.
The neuronal RNA-binding protein Ptbp2 regulates neuronal differentiation by modulating alternative splicing programs in the nucleus. Such programs contribute to axonogenesis by adjusting the levels of protein isoforms involved in axon growth and branching. While its functions in alternative splicing have been described in detail, cytosolic roles of Ptbp2 for axon growth have remained elusive. Here, we show that Ptbp2 is located in the cytosol including axons and growth cones of motoneurons, and that depletion of cytosolic Ptbp2 affects axon growth. We identify Ptbp2 as a major interactor of the 3’ UTR of Hnrnpr mRNA encoding the RNA-binding protein hnRNP R. Axonal localization of Hnrnpr mRNA and local synthesis of hnRNP R protein are strongly reduced when Ptbp2 is depleted, leading to defective axon growth. Ptbp2 regulates hnRNP R translation by mediating the association of Hnrnpr with ribosomes in a manner dependent on the translation factor eIF5A2. Our data thus suggest a mechanism whereby cytosolic Ptbp2 modulates axon growth by fine-tuning the mRNA transport and local synthesis of an RNA-binding protein.
Bioimages frequently exhibit low signal-to-noise ratios due to experimental conditions, specimen characteristics, and imaging trade-offs. Reliable segmentation of such ambiguous images is difficult and laborious. Here we introduce deepflash2, a deep learning-enabled segmentation tool for bioimage analysis. The tool addresses typical challenges that may arise during the training, evaluation, and application of deep learning models on ambiguous data. The tool’s training and evaluation pipeline uses multiple expert annotations and deep model ensembles to achieve accurate results. The application pipeline supports various use-cases for expert annotations and includes a quality assurance mechanism in the form of uncertainty measures. Benchmarked against other tools, deepflash2 offers both high predictive accuracy and efficient computational resource usage. The tool is built upon established deep learning libraries and enables sharing of trained model ensembles with the research community. deepflash2 aims to simplify the integration of deep learning into bioimage analysis projects while improving accuracy and reliability.
The fatal neurodegenerative disorders amyotrophic lateral sclerosis and spinal muscular atrophy are, respectively, the most common motoneuron disease and genetic cause of infant death. Various in vitro model systems have been established to investigate motoneuron disease mechanisms, in particular immortalized cell lines and primary neurons. Using quantitative mass-spectrometry-based proteomics, we compared the proteomes of primary motoneurons to motoneuron-like cell lines NSC-34 and N2a, as well as to non-neuronal control cells, at a depth of 10,000 proteins. We used this resource to evaluate the suitability of murine in vitro model systems for cell biological and biochemical analysis of motoneuron disease mechanisms. Individual protein and pathway analysis indicated substantial differences between motoneuron-like cell lines and primary motoneurons, especially for proteins involved in differentiation, cytoskeleton, and receptor signaling, whereas common metabolic pathways were more similar. The proteins associated with amyotrophic lateral sclerosis also showed distinct differences between cell lines and primary motoneurons, providing a molecular basis for understanding fundamental alterations between cell lines and neurons with respect to neuronal pathways with relevance for disease mechanisms. Our study provides a proteomics resource for motoneuron research and presents a paradigm of how mass-spectrometry-based proteomics can be used to evaluate disease model systems.
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.
Der Einfluss des Ciliary Neurotrophic Factor (CNTF) auf die mikroskopische Anatomie des Sehnervs und der Retina wurde im Mausmodell untersucht. Unter Verwendung von Immunhistochemie, konfokaler Lasermikroskopie und Elektronenmikroskopie wurde untersucht, inwieweit eine CNTF-Defizienz zu degenerativen Veränderungen in Sehnerv und Retina von insbesondere adulten Mäusen führt. Hinsichtlich der verschiedenen untersuchten Parameter, einschließlich der Myelinisierung des Sehnervs und der retinalen Schichtung, konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen CNTF-defizienten und Wild-Typ-Mäusen festgestellt werden.
Die spinale Muskelatrophie ist nach der zystischen Fibrose die zweithäufigste Erkrankung mit autosomal-rezessivem Erbgang und Todesfolge bei Kindern. Der Mangel an intaktem SMN-Protein führt zu einer retrograden Degeneration der Motoneurone. Je nach prozentualem Mangel des SMN-Proteins ergeben sich unterschiedliche Verlaufsformen. Im Falle der schwersten Form liegt die Lebenserwartung unter zwei Jahren für Neugeborene. Die genaue Ursache der spinalen Muskelatrophie ist nicht abschließend geklärt. Klar ist jedoch, dass eine Differenzierungsdefekt an der muskulären Endplatte der Motoneurone vorliegt. In Zusammenschau der hier generierten Ergebnisse und zahlreicher Vorarbeiten zeigt sich, dass eine gestörte Kalziumhomöostase mitverantwortlich für diese Differenzierungsstörung ist. Dies ist am ehesten durch gestörte lokale Kalziumtransienten und eine veränderte Mikrostruktur der Endplatte, im Sinne des Fehlens der für die Differenzierung essentiellen Kalziumkanal-Cluster, zu erklären. Auch wenn die Wiederherstellung der Kalziumhomöostase keinen Einfluss auf die Menge an vorhandenem SMN-Protein hat, zeigt der Einsatz des Kalziumkanalagonisten R-Roscovitine eine restitutio des Phänotyps kultivierter Motoneurone in vitro, sowie auch eine signifikante Lebensverlängerung von murinen Tieren mit einer der SMA I äquivalenten Verlaufsform in vivo. Auch wenn es sich im Falle des Einsatzes von Kalziumkanalagonisten nicht um eine kausale Therapie, wie zum Beispiel im Falle gentechnologischer Ansätze, handelt, stellen sie trotzdem eine vielversprechende Ergänzung des Portfolios an therapeutischen Optionen dar. Die Stärke liegt hierbei in dem sofortigen Wirkeintritt nach Applikation mit antizipiert rascher Symptomverbesserung.
Die spinale Muskelatrophie (SMA) ist eine monogenetische Erkrankung, bei der es durch den Verlust des SMN Proteins zur Degeneration der α-Motoneurone im Rückenmark kommt. Abhängig vom Schweregrad zeigen die Patienten bereits innerhalb der ersten Lebensmonate ausgeprägte Lähmungen der Skelettmuskulatur und eine Zwerchfellparese einhergehend mit einer reduzierten Lebenserwartung. Mithilfe von Mausmodellen für die SMA konnte gezeigt werden, dass der Motoneuronenverlust bei Smn-defizienten Mäusen mit Störungen der Neurotransmission an der motorischen Endplatte und mit Differenzierungsstörungen der Motoneurone einhergeht. Die Differenzierungs-störungen primärer Smn-defizienter Motoneurone sind eng gekoppelt mit einer verminderten Clusterbildung spannungsabhängiger Kalziumkanäle im distalen axonalen Bereich. Dies wiederum führt zu einer verminderten Frequenz spontaner Kalziumeinströme am Axonterminus und hat eine veränderte axonale Elongation zur Folge.
Es wurden folgende Aspekte in Bezug auf die Verstärkung und die Induktion spontaner Kalziumeinströme in Mausmodellen für spinale Muskelatrophien in dieser Arbeit adressiert:
1) Lassen sich spontane Kalziumeinströme in Smn-defizienten Motoneuronen durch die externe Applikation von Kalziumkanalagonisten verstärken?
2) Sind spontane Kalziumeinströme in primären Motoneuronen durch den Brain-derived-neurotrophic-factor (BDNF) induzierbar?
3) Zeigen primäre Motoneurone eines Mausmodells für spinale Muskelatrophie mit Ateminsuffizienz Typ 1 (SMARD1) ebenfalls veränderte Kalziumtransienten?
Die Ergebnisse meiner Arbeit zeigen, dass durch den Kalziumkanalagonisten R-Roscovitine die Frequenz der spontanen Kalziumeinströme im distalen Axon von Smn-defizienten Motoneuronen signifikant erhöht wird. Dies hat wiederum einen regulierenden Effekt auf die Differenzierung der SMA Motoneurone zur Folge. Smn-defiziente Motoneurone zeigen somit keine Unterschiede mehr in Bezug auf Axonlängen und Wachstumskegelflächen im Vergleich zu Kontrollzellen. Für R-
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Roscovitine ist neben der agonistischen Wirkung am Kalziumkanal auch ein inhibitorischer Effekt auf die Cyclin-abhängige Kinase 5 beschrieben. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass die erhöhten Kalziumtransienten unter der Behandlung mit R-Roscovitine durch eine direkte Bindung an die Cav2 Kalziumkanäle verursacht werden und nicht durch eine Cdk5 Blockade. Dafür spricht die schnelle und reversible Wirkung von R-Roscovitine, sowie die Aufhebung des R-Roscovitines Effekts bei gleichzeitiger Gabe des Cav2.2 Antagonisten ω-Conotoxin MVIIC.
Der zweite Aspekt dieser Arbeit behandelt den Einfluss der neurotrophen Faktoren BDNF, CNTF und GDNF auf die Kalziumtransienten am Wachstumskegel wildtypischer Motoneurone. Der Vergleich der neurotrophen Faktoren zeigt, dass nur BDNF eine induzierende Wirkung auf spontane Kalziumtransienten am Wachstumskegel hat.
Der letzte Abschnitt dieser Arbeit beschäftigt sich mit den Kalziumtransienten bei Motoneuronen aus dem Nmd2J (SMARD1) Mausmodell. Die SMARD1 gilt als eigenständige Form der spinalen Muskelatrophien mit unterschiedlicher Genetik und unterschiedlichen klinischen Merkmalen. Die Motoneurone weisen in Bezug auf die Kalziumtransienten keine Unterschiede zwischen Wildtyp und Nmd2J Mutante auf. Es ergibt sich somit kein Hinweis darauf, dass die Degeneration der Motoneurone bei der SMARD1 von einer Störung der Kalziumhomöostase im distalen axonalen Bereich ausgeht.
Die spinale Muskelatrophie ist eine monogenetische Erkrankung, die bereits im Kindesalter aufgrund von Motoneurondegeneration zu Muskelatrophie führt und nicht selten einen tödlichen Verlauf nimmt. Ursache der Erkrankung ist ein Mangel an SMN-Protein. Der hierfür verantwortliche Verlust des SMN1-Gens kann durch das SMN2-Gen aufgrund eines gestörten Spleißprozesses am Exon 7 nicht kompensiert werden. Neben Aufgaben in der RNA-Prozessierung wird das SMN-Protein für den axonalen Transport von Ribonucleinpartikeln in Motoneuronen benötigt, was bei der SMA zu pathologischem Wachstum, Differenzierung und Funktion der Motoraxone führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden kultivierte Motoneurone aus einem Mausmodell für die SMA Typ I (Genotyp Smn-/-;SMN2) mit zwei unterschiedlichen Substanzen behandelt und deren Wirkungen auf das präsynaptische Differenzierungsverhalten der Motoneurone verglichen: R-Roscovitine, ein Agonist/Modulator spannungsabhängiger N-Typ- und P/Q-Typ-Kalziumkanäle, welcher zudem eine CDK-inhibierende Wirkung besitzt, sowie Valproat, ein HDAC-Inhibitor, der eine stimulierende Wirkung auf die SMN-Transkription hat. Es zeigte sich, dass R-Roscovitine in der Lage ist, das pathologische Wachstums- und präsynaptische Differenzierungsverhalten der Smn-defizienten Motoneurone zu normalisieren, ohne hierbei Einfluss auf die erniedrigte Menge an Smn-Protein zu nehmen. Die Behandlung mit Valproat beeinflusst hingegen weder die Menge an Smn-Protein, noch die pathologische Differenzierung der Wachstumskegel Smn-defizienter Motoneurone. Erklären lassen sich diese Effekte in erster Linie durch den Agonismus an spannungsabhängigen Kalziumkanälen durch R-Roscovitine. Durch vermehrten Kalziumeinstrom kommt es zur Normalisierung von Struktur und Funktion der Wachstumskegel. Ein CDK-vermittelter Effekt scheint unwahrscheinlich. Obgleich die genauen Vorgänge noch nicht verstanden sind, zeigen diese Ergebnisse, dass sich Smn-defiziente Motoneurone normal entwickeln können, wenn die hierfür erforderlichen kalziumabhängigen präsynaptischen Differenzierungssignale korrekt ausgelöst werden. Bei weiterer Erforschung sind Therapeutika denkbar, die in Zukunft die überwiegend genetisch orientierten Therapieansätze zur Hochregulation der SMN-Expression bei SMA-Patienten über einen von der Genetik unabhängigen Wirkmechanismus unterstützen können.
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.
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.
Introduction
IgG4 autoantibodies against paranodal proteins are known to induce acute-onset and often severe sensorimotor autoimmune neuropathies. How autoantibodies reach their antigens at the paranode in spite of the myelin barrier is still unclear.
Methods
We performed in vitro incubation experiments with patient sera on unfixed and unpermeabilized nerve fibers and in vivo intraneural and intrathecal passive transfer of patient IgG to rats, to explore the access of IgG autoantibodies directed against neurofascin-155 and contactin-1 to the paranodes and their pathogenic effect.
Results
We found that in vitro incubation resulted in weak paranodal binding of anti-contactin-1 autoantibodies whereas anti-neurofascin-155 autoantibodies bound to the nodes more than to the paranodes. After short-term intraneural injection, no nodal or paranodal binding was detectable when using anti-neurofascin-155 antibodies. After repeated intrathecal injections, nodal more than paranodal binding could be detected in animals treated with anti-neurofascin-155, accompanied by sensorimotor neuropathy. In contrast, no paranodal binding was visible in rats intrathecally injected with anti-contactin-1 antibodies, and animals remained unaffected.
Conclusion
These data support the notion of different pathogenic mechanisms of anti-neurofascin-155 and anti-contactin-1 autoantibodies and different accessibility of paranodal and nodal structures.
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.
Muscle atrophy and diaphragmatic palsy are the clinical characteristics of spinal muscular atrophy with respiratory distress type 1 (SMARD1), and are well represented in the neuromuscular degeneration \((Nmd^{2J})\) mouse, modeling the juvenile form of SMARD1. Both in humans and mice mutations in the IGHMBP2 gene lead to motoneuron degeneration. We could previously demonstrate that treatment with a polyethylene glycol-coupled variant of IGF1 (PEG-IGF1) improves motor functions accompanied by reduced fiber degeneration in the gastrocnemius muscle and the diaphragm, but has no beneficial effect on motoneuron survival. These data raised the question which cell autonomous disease mechanisms contribute to dysfunction and loss of Ighmbp2-deficient motoneurons. An analysis of primary Ighmbp2-deficient motoneurons exhibited differentiation deficits such as reduced spontaneous \(Ca^{2+}\) transients and altered axon elongation, which was not compensated by PEG-IGF1. This points to an IGF1 independent mechanism of motoneuron degeneration that deserves treatment approaches in addition to IGF1.
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.
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.
Ligand-binding of Cys-loop receptors is determined by N-terminal extracellular loop structures from the plus as well as from the minus side of two adjacent subunits in the pentameric receptor complex. An aromatic residue in loop B of the glycine receptor (GIyR) undergoes direct interaction with the incoming ligand via a cation-π interaction. Recently, we showed that mutated residues in loop B identified from human patients suffering from hyperekplexia disturb ligand-binding. Here, we exchanged the affected human residues by amino acids found in related members of the Cys-loop receptor family to determine the effects of side chain volume for ion channel properties. GIyR variants were characterized in vitro following transfection into cell lines in order to analyze protein expression, trafficking, degradation and ion channel function. GIyR α1 G160 mutations significantly decrease glycine potency arguing for a positional effect on neighboring aromatic residues and consequently glycine-binding within the ligand-binding pocket. Disturbed glycinergic inhibition due to T162 α1 mutations is an additive effect of affected biogenesis and structural changes within the ligand-binding site. Protein trafficking from the ER toward the ER-Golgi intermediate compartment, the secretory Golgi pathways and finally the cell surface is largely diminished, but still sufficient to deliver ion channels that are functional at least at high glycine concentrations. The majority of T162 mutant protein accumulates in the ER and is delivered to ER-associated proteasomal degradation. Hence, G160 is an important determinant during glycine binding. In contrast, 1162 affects primarily receptor biogenesis whereas exchanges in functionality are secondary effects thereof.