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G protein-coupled receptors of the Adhesion family (aGPCRs) comprise the second largest group within the GPCR realm with over 30 mammalian homologs. They contain a unique structure with unusually large extracellular domains (ECDs) holding many structural folds known to mediate cell-cell and cell-matrix interactions. Furthermore, aGPCRs undergo autoproteolytic cleavage at the GPCR proteolysis site (GPS), an integral portion of the GPCR autoproteolysis inducing (GAIN) domain. Thus far, it is largely unknown if and how self-cleavage affects aGPCR activation and signaling and how these signals may shape the physiological function of cells.
Latrophilin, alternatively termed the calcium-independent receptor of α-latrotoxin (CIRL) constitutes a highly conserved, prototypic aGPCR and has been assigned roles in various biological processes such as synaptic development and maturation or the regulation of neurotransmitter release. The Drosophila melanogaster homolog dCIRL is found in numerous sensory neurons including the mechanosensory larval pentascolopidial chordotonal organs (CHOs), which rely on dCIRL function in order to sense mechanical cues and to modulate the mechanogating properties of present ionotropic receptors.
This study reveals further insight into the broad distribution of dCirl expression throughout the larval central nervous system, at the neuromuscular junction (NMJ), as well as subcellular localization of dCIRL in distal dendrites and cilia of chordotonal neurons. Furthermore, targeted mutagenesis which disabled GPS cleavage of dCIRL left intracellular trafficking in larval CHOs unaffected and proved autoproteolysis is not required for dCIRL function in vivo. However, substitution of a threonine residue, intrinsic to a putative tethered agonist called Stachel that has previously been documented for several other aGPCRs, abrogated receptor function. Conclusively, while this uncovered the presence of Stachel in dCIRL, it leaves the question about the biological relevance of the predetermined breaking point at the GPS unanswered. In an independent approach, the structure of the “Inter-RBL-HRM” (IRH) region, the region linking the N-terminal Rhamnose-binding lectin-like (RBL) and the hormone receptor motif (HRM) domains of dCIRL, was analyzed. Results suggest random protein folding, excessive glycosylation, and a drastic expansion of the size of IRH. Therefore, the IRH might represent a molecular spacer ensuring a certain ECD dimension, which in turn may be a prerequisite for proper receptor function.
Taken together, the results of this study are consistent with dCIRL’s mechanoceptive faculty and its role as a molecular sensor that translates mechanical cues into metabotropic signals through a yet undefined Stachel-dependent mechanism.
In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass aus uniparentalen, embryonalen
Stammzellen mit fehlender maternal geprägter Genexpression (AG-Zellen)
differenzierte neuronale Progenitorzellen (pNPCs) eine ähnliche neuronale
Kapazität wie wildtypische Progenitorzellen haben. Sie bilden nach
histomorphologischen Kriterien in vitro adulte Neurone mit Ausbildung eines
synaptischen Netzwerks. In elektrophysiologischen PatchClamp-
Untersuchungen wurde gezeigt, dass diese Zellen, ähnlich dem wildtypischen
Pendant, spannungsabhängige Natrium- und Kaliumkanälen besitzen, ein
negatives Membranpotential haben und bei Stimulation mit repetitiven
Aktionspotentialen reagieren. Nach Transplantation in einem Schädel-Hirn-
Trauma-Modell konnten nach drei Monaten in vivo Donorzellen mit neuraler
Morphologie und der Expression von jungen, neuronalen und glialen Proteinen
gefunden werden. Die Teratombildung ist im Vergleich zum Wildtyp unverändert,
eine maligne Entartung mit invasivem Wachstum oder ausgedehnter
Metastasierung konnte nicht gefunden werden. Aus AG-Zellen generierte
neuronale Progenitorzellen sind ein starkes Instrument, um neuronale
genomische Prägung zu untersuchen. Außerdem könnte die regenerative
Kapazität für eine patientenspezifische Zellersatztherapie genutzt werden.
Neuronale Stammzellen wurden kürzlich im unteren Colliculus inferior (CI) identifiziert. Diese Zellen sind von besonderem Interesse, da es keine therapeutischen Optionen für geschädigte neuronale Strukturen gibt. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, das neurogene Potenzial im CI der Ratte von den ersten postnatalen Tagen bis zum Erwachsenenalter zu untersuchen. Der CI von Ratten vom 6. bis zum 48. postnatalen Tag wurde mit Neurosphären-Assays und histologischen Schnitten untersucht. In frei schwimmenden CI-Zellkulturen bildeten sich Neurosphären bei Tieren vom frühen postnatalen Alter bis zum Erwachsenenalter. Die Menge der gebildeten Neurosphären nahm im höheren Alter ab und stieg mit der Anzahl der Zelllinienpassagen. Die Zellen in den Neurosphären und die histologischen Schnitte zeigten eine positive Färbung mit neuronalen Stammzell-Markern (Doublecortin, Sox-2, Musashi-1, Nestin und Atoh1). Dissoziierte Einzelzellen aus den Neurosphären differenzierten und wurden positiv für die neuralen Abstammungsmarker β-III-Tubulin, GFAP und MBP angefärbt. Darüber hinaus wurden neuronalen Stammzell-Marker (Doublecortin, Sox-2, CDK5R1 und Ascl-1) mittels qRT-PCR untersucht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein neurogenes Potenzial im CI der Ratte von den frühen postnatalen Tagen bis zum Erwachsenenalter nachgewiesen und bewertet wurde. Die Identifizierung von neuronalen Stammzellen im CI der Ratte und ihre altersspezifischen Merkmale tragen zu einem besseren Verständnis der Entwicklung und der Plastizität der Hörbahn bei und könnten für eine therapeutische Nutzung aktiviert werden.
Bei den Charcot-Marie-Tooth (CMT) Neuropathien handelt es sich um erbliche Erkrankungen des peripheren Nervensystems, die progredient zu motorischen und sensorischen Defiziten führen und für die bislang keine kausalen Therapieoptionen existieren. In verschiedenen Studien konnte gezeigt werden, dass Entzündungsreaktionen, insbesondere durch Lymphozyten und Makrophagen vermittelt, eine bedeutende Rolle bei der Pathogenese dieser Erkrankung spielen. Neben neuronaler und axonaler Schädigung, sowie Demyelinisierung ist in untersuchten Myelin Mutanten auch eine erhöhte Anzahl an denervierten neuromuskulärer Endplatten zu erkennen. Eine genetische Blockade der Makrophagen-Aktivierung konnte in den Studien eine Verbesserung sämtlicher neuropathologischer Merkmale bei gleichzeitig reduzierter Makrophagenanzahl zeigen. Ob und welche Rolle Makrophagen bei der Denervation neuromuskulärer Endplatten spielen, blieb bislang ungeklärt.
In dieser Studie konnte in allen untersuchten Myelin Mutanten im Vergleich zum Wildtyp eine Zunahme an neuromuskulären Synapsen beobachtet werden, die mit Makrophagen räumlich assoziiert waren. Daneben zeigten entsprechende Myelin Mutanten eine Zunahme denervierter und partiell denervierter Endplatten und zwar interessanterweise direkt proportional zur Anzahl an Synapsen in Assoziation mit Makrophagen. Das bedeutet, dass die Anzahl an Endplatten in Assoziation mit Makrophagen verhältnismäßig parallel zur Anzahl an denervierten Endplatten zunahm, während die Anzahl an Makrophagen im gesamten Muskel nahezu unverändert blieb. Dies deutet eine mögliche Rolle der räumlich mit Endplatten assoziierten Makrophagen an deren Denervation an. Dabei waren alle Synapsen in Assoziation mit Makrophagen innerviert und damit morphologisch intakt. Bei doppel-mutanten Mäusen mit genetischer Blockade der Makrophagen-Aktivierung waren die beschriebenen pathologischen Merkmale an der neuromuskulären Synapse deutlich reduziert bei gleichzeitig signifikanter Abnahme an Makrophagen in Assoziation mit Endplatten. Ähnliche pathologische Auffälligkeiten wie bei Myelin Mutanten fanden sich in geringerer Ausprägung auch im Wildtyp im Rahmen des Alterungsprozesses sowie auch bei Mäusen mit Defizienz des neurotrophen Faktors CNTF.
Zusammenfassend deuten die Ergebnisse darauf hin, dass sowohl in der Pathogenese der CMT Neuropathie wie auch im Rahmen altersbedingter Neurodegeneration ein Makrophagen-vermittelter Schaden an der neuromuskulären Endplatte entsteht. Wesentliche Mediatoren scheinen hierbei das von Fibroblasten und vermutlich auch perisynaptischen Fibroblasten exprimierte CSF-1 zu sein, sowie MCP-1, das durch Schwann Zellen und möglicherweise auch von terminalen Schwann Zellen freigesetzt wird. Auch eine Defizienz des neurotrophen Faktors CNTF bewirkt zumindest in geringem Ausmaß eine Zunahme der pathologischen Merkmale Denervation und Makrophagen-Endplatten-Assoziation im Vergleich zum Wildtyp. Diese Ergebnisse erweitern insbesondere das Wissen um Pathomechanismen an der neuromuskulären Endplatte und eröffnen neue Möglichkeiten der Behandlung für CMT und weitere neuromuskuläre Erkrankungen.
In Nervensystemen bedürfen Informationsweitergabe und Gedächtnisformation eines präzisen Zusammenspiels von Synapsen in Zeit und Raum. Synaptische Transmission basiert strukturell auf mesoskopischen cytosolischen Kompartimenten an der präsynaptischen Membran, sogenannten Aktiven Zonen (AZ). Ihre Cytomatrix, bestehend aus zentralen Gerüstproteinen wie Rab3 interacting molecule (RIM), ermöglicht eine schnelle Freisetzung synaptischer Vesikel. Die Defizienz der lokal häufigsten Isoform RIM1α resultiert an einer komplexen zentralen Säugersynapse, die des hippocampalen Moosfaserboutons (MFB) zu im Cornu ammonis (CA)3 befindlichen Pyramidalzellen, in einer dezimierten Langzeitplastizität. Auf Verhaltensebene zeigen diese Mäuse eine reduzierte Lernfähigkeit.
Die vorliegende Dissertation widmet sich grundlegend der bisher unbekannten dreidimensionalen (3D) AZ-Ultrastruktur des MFB in akuten Hippocampusschnitten der adulten Wildtyp- und RIM1α-Knock-Out-Maus (RIM1α\(^{-/-}\)). In einer methodischen Entwicklungsphase wurde ein neuartiges, anspruchsvolles Protokoll der nahezu artefaktfreien (near to native) Synapsenpräparation am MFB mittels Hochdruckgefrierung und Gefriersubstitution sowie der 3D-Modellierung mittels Elektronentomographie etabliert. In einer zweiten Experimentier- und Analysephase ermöglichte die hochwertige synaptische Gewebeerhaltung in beiden Genotypen eine standardisierte, auf Programmierskripten basierte Quantifizierung der AZ-Ultrastruktur bis auf die Ebene eines individuell gedockten synaptischen Vesikels.
Dieser Dissertation gelingt der Nachweis, dass eine Defizienz von RIM1α zu einer multidimensionalen ultrastrukturellen Veränderung der AZ und ihres Vesikelpools am MFB führt. Neben einer Reduktion, Dezentralisierung und strukturellen Veränderung (eng) gedockter Vesikel – der ultrastrukturellen Messgrößen von unmittelbar freisetzungsfähigen Vesikeln – verdichtet sich der distaler lokalisierte Vesikelpool auf zugleich größeren, heterogenen AZ-Flächen mit erweitertem synaptischem Spalt. Vorliegende Untersuchungen tragen zum Verständnisgewinn über eine zentrale Rolle von RIM1α für das Docking und die Organisation von Vesikeln der AZ im MFB bei. Darüber hinaus stellen die präzisen ultrastrukturellen Analysen eine morphologische Grundlage für weiterführende Studien mit Hilfe modernster Techniken dar, beispielsweise über die Auswirkungen der geänderten RIM1α\(^{-/-}\) AZ-Ultrastruktur auf die präsynaptische Plastizität sowie in Korrelation zum Gedächtnis und Lernen der Tiere.
TTFields sind eine Therapieoption des GBM, welche als alternierende elektrische Felder den Aufbau des mitotischen Spindelapparates stören. Gleichzeitig überwacht der SAC, mit seiner Schlüsselkomponente der Kinase MPS1, eine korrekte Anheftung der Spindelfasern an die Kinetochore der Chromosomen. Eine Inhibition des SAC durch den Inhibitor MPS1-IN-3 in Kombination mit Vincristin führt zu einem synergistischen Effekt auf das Tumorwachstum in vitro und in vivo. Aus diesen Erkenntnissen folgerten wir die Hypothese, dass eine SAC-Inhibition die Wirkung von TTFields verstärken könnte. Um dies zu testen, wurden Zellen der Zelllinien U87 und GaMG über 72h mit TTFields, MPS1-IN-3 oder einer Kombination aus den beiden behandelt. Anschließend wurden die Zellen gezählt, es wurde eine Analyse des Zellzyklus vorgenommen und apoptotische Zellen wurden via TUNEL-Assay detektiert. Die Kombinationsbehandlung aus TTFields und MPS1-IN-3 führte zu einer Reduktion der Zellzahl (U87: -54,3% vs. TTFields, p=0,0046; -52,9% vs. MPS1-IN-3, p=0,0026; GaMG: -74,3% vs. TTFields, p=0,0373; -84% vs. MPS1-IN-3, p<0,00001). Nur 28,1% mehr Zellen als ausgesät waren bei der Zelllinie U87 zu finden (TTFields: 179,1%; MPS1-IN-3: 168,3%), während es bei GaMG-Zellen sogar 62% weniger Zellen als ausgesät waren. Im Zellzyklus zeigte sich eine Abnahme der Zellen von der G1-Phase (U87: -59,9% vs. TTFields, p=0,0007; -42,1% vs. IN-3, p=0,0426; GaMG: -45,1% vs. TTFields, p=0,0276; -51,6% vs. IN-3, p=0,0020), während es zu einem massiven Anstieg von toten Zellen kam (U87: 2,9fach vs. TTFields, p=0,0022; 2,2fach vs. IN-3, p=0,0046; GaMG: 5,6fach vs. TTFields, p=0,0078; 7,8fach vs. IN-3, p=0,0005). Diese Zellen ließen sich im TUNEL-Assay als durch Apoptose zu Grunde gegangene Zellen weiter identifizieren (U87: 5,4fach vs. TTFields, p=0,0489; 6,2fach vs. IN-3, p=0,0278; GaMG: 8,9fach vs. IN-3, p=0,0110). Diese Ergebnisse sind erste und wichtige Hinweise für eine Verstärkung der Wirkung von TTFields durch eine Inhibition des SAC und liefern eine gute Grundlage für weitere Forschung zur Verbesserung der Therapie des GBM.
Im Jahre 2011 wurden erstmals neuronale Stammzellen (NSCs) im Nucleus Cochlearis (N.C.) der Ratte beschrieben (Rak et al. 2011). Um diese Zellen besser zu charakterisieren, war das Ziel der vorliegenden Arbeit, die NSCs des N.C. im Hinblick auf ihre Maturation und Interaktion in neuronalen Netzwerken sowie auf die Möglichkeiten nichtinvasiver Beeinflussung dieser Zellen zu untersuchen und diese mit primären Neuronen des N.C. zu vergleichen. Für die Untersuchungen waren intrazelluläre Calcium-Ionen (Ca2+) von besonderem Interesse, da diese über spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle (VGCCs) und deren Spontanoszillationen indirekt die Aktivität und Differenzierung der Neurone widerspiegeln könnten.
Für die Analyse wurden N.C.s von P6 Ratten mikroskopisch präpariert und nach Dissoziation in Einzelzellen die NSCs für 8 Wochen in Stammzellmedium kultiviert oder direkt als primäre Neurone im Stammzellmedium ausplattiert.
Zur Vorbereitung der Untersuchungen fand eine Kultivierung der jeweiligen Zellen für 4 Tage in Differenzierungsmedium statt. Anschließend wurden sie für Calcium-Imaging-Messungen mit dem Ca2+-sensitiven Fluorophor Oregon Green BAPTA-1 beladen. Zum einen wurde eine Analyse der Grundaktivitäten innerhalb der Zellareale und im neuronalen Netzwerk im Verlauf der Maturation durchgeführt. Zum anderen fand am Tag 4 der Zelldifferenzierung (DIF d4) eine Untersuchung der qualitativen und quantitativen Verteilung von VGCCs über die Zugabe der Ca2+-Kanalinhibitoren Nifedipin, ω-Conotoxin MVIIC, Kurtoxin und SNX-482 statt. In jedem Fall wurden die Zellen anschließend mit PFA fixiert und immunzytologisch untersucht. Zudem wurde eine Markierung der VGCCs mit dem Antikörper anti-Ca2+-Channel-(1 Subunit)-Pan vorgenommen.
Innerhalb der Ergebnisse konnte eine Abhängigkeit der neuronalen Reifung von der Zellaktivität in Form von Ca2+-Strömen nachgewiesen werden. Hierfür zeigte sich ursächlich eine Variation im qualitativen und quantitativen Vorkommen von VGCCs und in ihrer Spontanaktivität innerhalb der Zellareale im Verlauf der neuronalen Maturation. NSCs zeigten ein ähnliches Verhalten wie primär kultivierte Neurone - sowohl bezüglich ihres Aktivitätsmusters während der Differenzierung als auch bezüglich ihrer Möglichkeit der Inhibierung, was auf eine ähnliche Expression von VGCCs hinweisen könnte. Die höchste Aktivität zeigte sich in beiden Fällen bei DIF d4. Die neurogene Nische, welche in der Literatur sowohl bei Ratten (Rak et al. 2011) als auch bei Mäusen (Volkenstein et al. 2013) im N.C. nachweisbar war, könnte somit zur Analysierung pathologischer Prozesse sowie auch zu deren Behandlung in Betracht gezogen werden.
Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Dissertation eine Charakterisierung des N.C. der Hörbahn in elektrophysiologischer und biochemischer Hinsicht erreicht werden. Die Ansätze dieser Arbeit könnten in Zukunft zu Therapieoptionen der Hörrehabilitation auf dieser Ebene beitragen.