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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.
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.
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.
In the mammalian brain, the neurotrophin brain-derived neurotrophic factor (BDNF) has emerged as a key factor for synaptic refinement, plasticity and learning. Although BDNF-induced signaling cascades are well known, the spatial aspects of the synaptic BDNF localization remained unclear. Recent data provide strong evidence for an exclusive presynaptic location and anterograde secretion of endogenous BDNF at synapses of the hippocampal circuit. In contrast, various studies using BDNF overexpression in cultured hippocampal neurons support the idea that postsynaptic elements and other dendritic structures are the preferential sites of BDNF localization and release. In this study we used rigorously tested anti-BDNF antibodies and achieved a dense labeling of endogenous BDNF close to synapses. Confocal microscopy showed natural BDNF close to many, but not all glutamatergic synapses, while neither GABAergic synapses nor postsynaptic structures carried a typical synaptic BDNF label. To visualize the BDNF distribution within the fine structure of synapses, we implemented super resolution fluorescence imaging by direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM). Two-color dSTORM images of neurites were acquired with a spatial resolution of ~20 nm. At this resolution, the synaptic scaffold proteins Bassoon and Homer exhibit hallmarks of mature synapses and form juxtaposed bars, separated by a synaptic cleft. BDNF imaging signals form granule-like clusters with a mean size of ~60 nm and are preferentially found within the fine structure of the glutamatergic presynapse. Individual glutamatergic presynapses carried up to 90% of the synaptic BDNF immunoreactivity, and only a minor fraction of BDNF molecules was found close to the postsynaptic bars. Our data proof that hippocampal neurons are able to enrich and store high amounts of BDNF in small granules within the mature glutamatergic presynapse, at a principle site of synaptic plasticity.
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.
Neurotrophin signaling via receptor tyrosine kinases is essential for the development and function of the nervous system in vertebrates. TrkB activation and signaling show substantial differences to other receptor tyrosine kinases of the Trk family that mediate the responses to nerve growth factor and neurotrophin-3. Growing evidence suggests that TrkB cell surface expression is highly regulated and determines the sensitivity of neurons to brain-derived neurotrophic factor (BDNF). This translocation of TrkB depends on co-factors and modulators of cAMP levels, N-glycosylation, and receptor transactivation. This process can occur in very short time periods and the resulting rapid modulation of target cell sensitivity to BDNF could represent a mechanism for fine-tuning of synaptic plasticity and communication in complex neuronal networks. This review focuses on those modulatory mechanisms in neurons that regulate responsiveness to BDNF via control of TrkB surface expression.
The tropomysin receptor kinase B (TrkB), the receptor for the neurotrophin brain-derived neurotrophic factor (BDNF), plays an important role in neuronal survival, neuronal differentiation, and cellular plasticity. Conventionally, TrkB activation is induced by binding of BDNF at extracellular sites and subsequent dimerization of receptor monomers. Classical Trk signaling concepts have failed to explain ligand-independent signaling of intracellular TrkB or oncogenic NTRK-fusion proteins. The intracellular activation domain of TrkB consists of a tyrosine kinase core, with three tyrosine (Y) residues at positions 701, 705 and 706, that catalyzes the phosphorylation reaction between ATPγ and tyrosine. The release of cisautoinhibition of the kinase domain activates the kinase domain and tyrosine residues outside of the catalytic domain become phosphorylated. The aim of this study was to find out how ligand-independent activation of TrkB is brought about. With the help of phosphorylation mutants of TrkB, it has been found that a high, local abundance of the receptor is sufficient to activate TrkB in a ligand-independent manner. This self-activation of TrkB was blocked when either the ATP-binding site or Y705 in the core domain was mutated. The vast majority of this self-active TrkB was found at intracellular locations and was preferentially seen in roundish cells, lacking filopodia. Live cell imaging of actin dynamics showed that self-active TrkB changed the cellular morphology by reducing actin filopodia formation. Signaling cascade analysis confirmed that self-active TrkB is a powerful activator of focal adhesion kinase (FAK). This might be the reason why self-active TrkB is able to disrupt actin filopodia formation. The signaling axis from Y705 to FAK could be mimicked by expression of the soluble, cytosolic TrkB kinase domain. However, the signaling pathway was inactive, when the TrkB kinase domain was targeted to the plasmamembrane with the help of artificial myristoylation membrane anchors. A cancer-related intracellular NTRK2-fusion protein (SQSTM1-NTRK2) also underwent constitutive kinase activation. In glioblastoma-like U87MG cells, self-active TrkB kinase reduced cell migration. These constitutive signaling pathways could be fully blocked within minutes by clinically approved, anti-tumorigenic Trk inhibitors. Moreover, this study found evidences for constitutively active, intracellular TrkB in tissue of human grade IV glioblastoma. In conclusion, the data provide an explanation and biological function for selfactive, constitutive TrkB kinase domain signaling, in the absence of a ligand.