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FGF-2 ist ein wichtiger Regulator der Zelldifferenzierung und an zahlreichen Funktionen neuronaler Zellen beteiligt; allerdings ist wenig über die molekularen Signalwege bekannt. In unseren Untersuchungen wurde ein Microarray des MSC von erwachsenen FGF-2-/- und Wildtyp Mäusen durchgeführt. Neben einer bedeutender Anzahl von regulierten Genen, die am Aufbau das Zytoskeletts beteiligt sind, zeigte sich eine deutliche Herabregulation von Arhgef6. Arhgef6 ist eine Nukleotid Austauschfaktor für Rac1 und Cdc42, welche beide zu den Rho-GTPasen gehören. In der weiteren Untersuchung konnten wir eine signifikante Arhgef6 mRNA Reduktion und ein komplettes Fehlen des Arhgef6 Protein im MSC zeigen. Die Protein Expression von RhoA war erhöht und von Cdc42 erniedrigt. In der Western Blot Analyse von weiteren nachgeschalteten Proteinen konnten wir eine Verminderung phosphorylierter Proteine (Erk1/2 und Cofilin) zeigen. Die Länge der Dendritischen Dornen in Ebene V des MSC war signifikant verringert und die Dendritenlänge in vitro signifikant verkürzt im Vergleich mit WT Neuronen. Zusammenfassend schlagen wir vor, dass das Fehlen von FGF-2 zu einem Ungleichgewicht verschiedener Rho-GTPasen führt, sodass das Zytoskelett beeinträchtigt und die Neuronenmorphologie gestört wird.
Simple Summary
Neuronal plasticity refers to the brain’s ability to adapt in response to activity-dependent changes. This process, among others, allows the brain to acquire memory or to compensate for a neurocognitive deficit. We analyzed adult FTSJ1-deficient mice in order to gain insight into the role of FTSJ1 in neuronal plasticity. These mice displayed alterations in the hippocampus (a brain structure that is involved in memory and learning, among other functions) e.g., in the form of changes in dendritic spines. Changes in dendritic spines are considered to represent a morphological hallmark of altered neuronal plasticity, and thus FTSJ1 deficiency might have a direct effect upon the capacity of the brain to adapt to plastic changes. Long-term potentiation (LTP) is an electrophysiological correlate of neuronal plasticity, and is related to learning and to processes attributed to memory. Here we show that LTP in FTSJ1-deficient mice is reduced, hinting at disturbed neuronal plasticity. These findings suggest that FTSJ1 deficiency has an impact on neuronal plasticity not only morphologically but also on the physiological level.
Abstract
The role of the tRNA methyltransferase FTSJ1 in the brain is largely unknown. We analyzed whether FTSJ1-deficient mice (KO) displayed altered neuronal plasticity. We explored open field behavior (10 KO mice (aged 22–25 weeks)) and 11 age-matched control littermates (WT) and examined mean layer thickness (7 KO; 6 WT) and dendritic spines (5 KO; 5 WT) in the hippocampal area CA1 and the dentate gyrus. Furthermore, long-term potentiation (LTP) within area CA1 was investigated (5 KO; 5 WT), and mass spectrometry (MS) using CA1 tissue (2 each) was performed. Compared to controls, KO mice showed a significant reduction in the mean thickness of apical CA1 layers. Dendritic spine densities were also altered in KO mice. Stable LTP could be induced in the CA1 area of KO mice and remained stable at for at least 1 h, although at a lower level as compared to WTs, while MS data indicated differential abundance of several proteins, which play a role in neuronal plasticity. FTSJ1 has an impact on neuronal plasticity in the murine hippocampal area CA1 at the morphological and physiological levels, which, in conjunction with comparable changes in other cortical areas, might accumulate in disturbed learning and memory functions.
Die Neurotrophine (Nerve Growth Factor, Brain-derived Neurotrophic Factor, Neurotrophin-3 und Neurotrophin-4/5) zählen zu den wichtigsten Wachstumsfaktoren des Nervensystems und sind von großer Bedeutung für Gehirnentwicklung und neuronale Plastizität. Sie vermitteln ihr Wirkungen über zwei Rezeptorsysteme: Trk-Rezeptoren binden Neurotrophine spezifisch und mit hoher Affinität. Sie aktivieren anti-apoptotische, wachstums- und differenzierungsfördernde Signalwege. Der niedrigaffine p75-Neurotrophinrezeptor (p75) hingegen kann Rezeptorkomplexe mit verschiedenen Ko-Rezeptoren und einer Vielzahl von Liganden bilden. Das Spektrum seiner möglichen Effekte ist beachtlich, wobei pro-apoptotische und wachstumshemmende Wirkungen überwiegen. Interessanterweise kommt es bei einer Reihe von pathologischen Prozessen zu einer vermehrten Expression von p75, etwa bei Morbus Alzheimer, Amyotropher Lateralsklerose, Chorea Huntington und nach Gehirnverletzungen. Inhibitoren der pro-apoptotischen und wachstumshemmenden Wirkung bergen Potenzial für die Therapie dieser Krankheitsbilder. Transgene p75-Knockout-Modelle sind ein wichtiges Instrument für ein besseres Verständnis des Rezeptors. Aus den bisher vorliegenden Daten zu Morphologie und Verhalten solcher Mäuse ergibt sich jedoch ein widersprüchliches Bild. Im gesunden adulten Nervensystem wird p75 insbesondere durch cholinerge Neurone des basalen Vorderhirns (BFCN) exprimiert. In mehreren Studien wurde bei p75-defizienten Mausstämmen eine Hypertrophie der BFCN und der cholinergen Innervation des Hippocampus beobachtet. Für ein weiteres wichtiges Zielgebiet von BFCN-Projektionen, die basolaterale Amygdala (BLA), liegen bisher jedoch keine Daten vor. Ein Ziel dieser Arbeit war daher die Erfassung der cholinergen Innervationsdichte dieses Kerngebiets bei jungen und gealterten p75-Knockout-Tieren und Vergleich mit den entsprechenden Wildtyp-Kontrollen. In allen Altersgruppen war bei p75-Defizienz eine erhöhte Faserdichte nachweisbar. Im Hippocampus unterliegen die cholinergen Neuriten bei Knockout-Tieren einer verstärkten Degeneration im Alter. Dieser Effekt trat in der BLA nicht auf. Da im adulten Hippocampus p75 physiologischerweise exprimiert wird, in der adulten Amygdala jedoch nicht, weist dies auf eine trophische Wirkung des Rezeptors für hippocampale cholinerge Neurone hin, die vermutlich in Assoziation mit Trk-Rezeptoren vermittelt werden. Eine Testung höherer Verhaltensfunktionen bei p75-Defizienz erbringt Hinweise auf die funktionellen Auswirkungen der morphologischen Veränderungen. Bisherige Studien zeigen Abweichungen bei lokomotorischer Aktivität, Angstverhalten und räumlichem Lernen, sind jedoch im Detail widersprüchlich. Geringe Kohortengrößen und ungenaue Angaben zur Testdurchführung schränken die Aussagekraft teilweise ein. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Prüfung dieser Verhaltensfunktionen bei p75-Defizienz mittels standardisierter Testmodelle unter Verwendung größerer Testkohorten. Im Open Field-Versuch wiesen Knockout-Tiere eine erhöhte motorische Aktivität auf. Im Holeboard-Versuch zeigte sich jedoch keine begleitende Zunahme zielgerichteter Exploration. In der Dark/Light Box fiel ein signifikanter Gruppenunterschied im Einfluss der zirkadianen Rhythmik auf das Verhalten in diesem Testmodell auf. Dies erschwert die Testinterpretation, trägt jedoch auch zur Erklärung der Diskrepanzen in der Literatur bei. Im Morris Water Maze zeigten Knockout-Tiere deutliche Defizite beim räumlichen Lernen. Als Ursache der Verhaltensauffälligkeiten kommen Veränderungen des cholinergen Systems, der neuronalen Plastizität und der zirkadianen Rhythmik in Betracht. Zudem sind Veränderungen weiterer Transmittersysteme wahrscheinlich. Die Untersuchung dieser Systeme und die Durchführung spezialisierter Verhaltenstests sind interessante Ansatzpunkte für zukünftige Studien.
Beeinflusst durch seinen Doktorvater Wilhelm von Waldeyer-Hartz entwickelte sich Erich Kallius zum engsten und wichtigsten Schüler des Anatomen Friedrich Merkel. Kallius etablierte sich als kompetenter Histologe und vergleichend-embryologisch orientierter Anatom. Nach histologischen Untersuchungen zum Nervensystem und zu den Sinnesorganen widmete er sich nach der Entdeckung der menschlichen Milchleiste zunehmend der vergleichenden Embryologie der Branchialregion und deren Derivate. Dies deutete sich bereits mit seinen Studien zur Kehlkopfembryologie an und findet volle Ausprägung in Kallius’ Hauptforschungsarbeit: der groß angelegten Studie zur vergleichenden Entwicklungsgeschichte der Wirbeltierzunge. - August Hirt, einer seiner Schüler, initiierte eines der größten Wissenschaftsverbrechen im Dritten Reich. Kallius selbst war entscheidend am Präzedenzfall einer politisch motivierten Entziehung der Lehrbefugnis an der Universität Heidelberg beteiligt. - Als Ordinarius in Greifswald, Breslau sowie Heidelberg gehörte Erich Kallius zu seinen Lebzeiten zum engsten Kreis der bedeutendsten und renommiertesten Anatomieprofessoren innerhalb der deutschen Hochschullandschaft – all dies ist dem Umstand geschuldet, dass er von Zeitgenossen als „ein Lehrer von ungewöhnlichem Erfolg“ beschrieben wurde.
Die Behandlung von Dysfunktionen im Bereich der tiefen Hals- und Nackenmuskulatur gehören zur täglichen Arbeit in verschiedenen klinischen Disziplinen wie zum Beispiel der Zahnmedizin, Traumatologie, Osteopathie und Physiotherapie. Unsere Studie dient der Erfassung von Strukturveränderungen an ausgewählten Hals-und Nackenmuskeln mittels MRT als Diagnostikmittel vor Therapieplanung im Kopf-Halsbereich. Die Daten aus einem nicht vorselektierten Probandengut dienen als Grundlage für weitere evidenzbasierte, klinische Untersuchungen und Therapieplanungen. Die SHIP-Studie der Universitätsmedizin Greifswald ermöglicht die Beurteilung der Hals- und Nackenmuskulatur an einer repräsentativen Bevölkerungsstichprobe. Die Datenerhebungen bisheriger Studien erfolgten immer auf Basis einer vorselektierten Population. Eine Übertragung der daraus gewonnenen Ergebnisse auf die Normalbevölkerung konnte bisher nur sehr eingeschränkt erfolgen.
Auf Grundlage von sagittalen und transversalen MRT-Aufnahmen im Bereich der Kopf-Hals-Region wurden an 454 Probanden beiderlei Geschlechts zweier Kohorten die Muskel/Fett-Indizes der Hals-und Nackenmuskeln erstellt. Die Muskeln wurden von zwei unabhängigen Untersuchern mit Hilfe des DICOM-Betrachters OsiriX manuell in der transversalen Schnittebene umfahren. Die ermittelten Signalintensitäten der Muskeln wurden in Relation gesetzt zu den Signalintensitäten des Fettgewebes aus der Nackenregion. Alle Befunde wurden in einer standardisierten Datenmaske der SHIP gespeichert. Es wurde ein statistischer Vergleich der an 365 Probanden ermittelten Muskel/Fett-Indizes zwischen den Muskeln (Seitenunterschiede, Höhenunterschiede gemessen an den Wirbelkörperhöhen) durchgeführt. Weiterhin wurden Zusammenhänge erfasst zwischen der fettigen Infiltration in Form eines erhöhten Muskel/Fett-Indexes als Zeichen degenerativer Umbauprozesse der tiefen Hals- und Nackenmuskulatur, dem Alter, dem Geschlecht und dem Body-Mass-Index.
Im Seitenvergleich zeigte allein der M. levator scapulae signifikante Unterschiede. Der rechte M. levator scapulae zeigte einen höheren Muskel/Fett-Index als der linke M. levator scapulae. Im Geschlechtervergleich konnte am M. obliquus capitis inferior
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ein höherer Muskel/Fett-Index bei Männern aufgezeigt werden. Der Höhenunterschied am M. sternocleidomastoideus, der auf Wirbelkörperhöhe C3 und C5 gemessen wurde, zeigte einen signifikanten Höhenunterschied am linken M. sternocleidomastoideus bei Männern.
Alle ausgewerteten Muskeln korrelierten mit dem BMI. Je höher der BMI wurde, desto niedriger wurde der Muskel/Fett-Index. Der Muskel/Fett-Index korrelierte schwach mit dem Alter mit Ausnahme des linken M. obliquus capitis inferior und des rechten M. sternocleidomastoideus auf Wirbelkörperhöhe C3. Ein niedriger werdender Muskel/Fett-Index des linken M. obliquus capitis inferior ging mit aufsteigendem Alter einher. Am rechten M. sternocleidomastoideus auf Wirbelkörperhöhe C3 zeigte sich jedoch mit aufsteigendem Alter ein höher werdender Muskel/Fett-Index.
Diese Studie kann Grundlage für nachfolgende Untersuchungen sein. Im Besonderen sollten in weiterführenden Untersuchungen weitere Assoziationen zwischen der fettigen Infiltration der Hals-und Nackenmuskulatur in Form eines erhöhten Muskel/Fett-Indexes mit craniomandibulären Dysfunktionen, körperlicher Fehlbelastung, Dysbalancen im Bewegungsmuster und psychosomatischen Hals- und Nackenbeschwerden näher betrachtet werden.
Palladin, ein Aktin-assoziiertes Protein, beeinflusst die Morphologie, Migration, Adhäsion und Polarität von Zellen maßgeblich. Zudem wurde bereits in klinischen Studien gezeigt, dass ein Zusammenhang zwischen der Expression von Palladin und der Metastasierungsfähigkeit von Tumoren besteht. Das Studium der Funktion von Palladin in vivo ist aufgrund der bereits intrauterinen Letalität eines Palladin-Knockouts in der Maus nicht möglich. Daher wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit der Zebrafisch als Modellorganismus für die Untersuchung der Funktion von Palladin verwendet. Durch Mikroinjektion von sogenannten Morpholinos in die befruchteten Zebrafischeier konnte Palladin herunterreguliert werden. Mittels Western Blot und RT-PCR wurde diese Abnahme von Palladin bestätigt. In Analogie zur Maus führte der Kockdown von Palladin zu einem letalen Phänotyp zum Zeitpunkt 11-18 hpf, das auf schwere Entwicklungsschäden zurück zu führen ist. Um Zebrafischlarven mit einem Palladin Knockdown dennoch histologisch genauer untersuchen zu können, wurde ein sogenannter Mosaikphänotyp erzeugt. Hierbei zeigte sich, dass die Ausbildung geordneter Aktin-Filamente in den Myotomen gestört war. Mit Hilfe der in vivo Mikroskopie konnte ferner an lebenden Palladin-Knockdown Zebrafischlarven zum Zeitpunkt 6 und 8.5 hpf erstmals gezeigt werden, dass der Verlust von Palladin zu einer veränderten Migration von Zellen und zur Instabilität von Zell-Zell bzw. Zell-Matrix Kontakten führt. Durch eine Gene Array Analyse der Palladin-Knockdown Larven (10 hpf) konnte gezeigt werden, dass 1335 von 8200 Proteinen in Abhängigkeit der Palladin-Expression signifikant in ihrer Regulation verändert waren. Dabei sind unter den hoch- bzw. herunterregulierten Proteinen auch solche Proteine vertreten, die einen entscheidenden Einfluss auf das Aktin-Zytoskelett und auf Zell-Matrix- bzw. Zell-Zell-Kontakte haben. Zusammenfassend zeigte sich, dass der Zebrafisch ein ideales Tiermodel ist, um die Rolle von Palladin in vivo zu untersuchen.
Die Rolle des p75 Neurotrophinrezeptors bei der neuronalen Plastizität im Hippocampus der Maus
(2015)
Der p75 Neurotrophinrezeptor (p75NTR) bindet alle Neurotrophine (NGF, BDNF, NT3, NT4). Er wird in der Entwicklung sehr stark, im adulten Gehirn nur noch punktuell exprimiert. Nichtsdestotrotz existieren zahlreiche Studien, die eine Rolle dieses Rezeptors für die Morphologie und Funktion des Hippocampus implizieren. Überraschenderweise sind diese Daten zum Teil widersprüchlich. Zudem wurde bisher fast ausschließlich die p75NTRExIII Knockout Maus verwendet, die jedoch weiterhin die verkürzte Splicevariante des p75NTR ohne Neurotrophinbindestelle exprimiert. Die vorliegende Arbeit soll nun einerseits dazu beitragen, die bestehenden Daten bezüglich des p75NTRExIII zu reevaluieren und anderseits mithilfe des p75NTRExIV Knockouts die Auswirkungen des vollständigen Fehlens des p75NTR auf die Morphologie des Hippocampus zu untersuchen. So konnten wir zeigen, dass sowohl das Fehlen der verkürzten, als auch beider Splicevarianten, die Morphologie des Hippocampus und dessen cholinerge Innervation verändert. Ferner stellte sich heraus, dass nur das Fehlen beider Splicevarianten einen Einfluss auf die adulte Neurogenese hat, jedoch in beiden Knockoutlinien erniedrigte Apoptoseraten im Hippocampus ermittelt werden konnten. Hinsichtlich der dendritischen Dornen ist nur in den p75NTRExIII Knockouts ein Anstieg ihrer Dichte feststellbar. Diese morphologischen Veränderungen waren, zumindest im Fall der p75NTRExIII Knockouts, von verändertem Verhalten begleitet. Aufgrund der schweren Ataxie der hinteren Extremitäten bei den p75NTRExIV Knockouts, konnten lediglich die p75NTRExIII Knockouts und entsprechende Kontrolltiere bezüglich des Verhaltens untersucht werden. Hier zeigte sich eine deutliche Einschränkung in der Speicherung des räumlichen Gedächtnisses. Unsere Daten belegen, dass sowohl das Fehlen der verkürzten als auch beider Varianten des p75NTR einen Einfluss auf die Morphologie und die Funktion des Hippocampus hat.
Staufen2 ist ein mRNA-bindendes Protein (RBP), das in Säugetieren vor allem cerebral exprimiert wird und an der neuronalen Plastizität innerhalb des Hippocampus beteiligt ist. RBPs spielen dabei eine wichtige Rolle in der strengen örtlichen und zeitlichen Regulation der neuroplastischen Vorgänge.
Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen eines Knockdowns von Staufen2 auf die Morphologie von Dendriten und dendritischen Dornen im Hippocampus der Ratte erstmalig in-vivo zu untersuchen. Als Grundlage dienten transgene Ratten, in denen durch Tamoxifen-Injektion ein RNA-Interferenz-Mechanismus zum Knockdown von Staufen2 aktiviert werden konnte. Die maximale Wirkung zeigte sich in der CA1-Region des Hippocampus, die in der Folge zum Gegenstand der weiteren Untersuchungen genutzt wurde. Mithilfe der Golgi-Cox-Silberimprägnierung konnte gezeigt werden, dass die Spinelänge und die Spinedichte in der apikalen CA1-Region in den Knockout-Tieren signifikant geringer waren. In den basalen Anteilen sowie bei der Morphologie des Dendritenbaums waren keine signifikanten Unterschiede nachweisbar. Andere Arbeitsgruppen konnten zeigen, dass diese Tiere Defizite im räumlichen Arbeitsgedächtnis sowie im räumlichen und zeitlichen Assoziationsgedächtnis haben. Der Grund hierfür könnte darin liegen, dass das normalerweise ausgewogene Verhältnis zwischen LTP und LTD zugunsten der LTP verschoben erscheint.
Mit seiner Funktion als RBP und einer Assoziation der LTD scheint Staufen2 eine Rolle in der späten, proteinsynthese-abgängigen Phase der LTD zu spielen, wobei die genauen Funktionsweisen des Proteins weiterhin nicht vollständig verstanden sind. Neben Staufen2 gibt es einer Reihe weitere RBPs mit wichtigen Funktionen innerhalb der neuronalen Plastizität. Einige davon sind mit schweren neurologischen Krankheitsbildern wie dem Fragilen-X-Syndrom, AutismusSpektrum-Störungen, amyotropher Lateralsklerose und frontotemporaler Demenz assoziiert. Ein besseres Verständnis der RBPs im Allgemeinen und von Staufen2 im Besonderen kann somit zukünftig zu einem besseren Verständnis von Lernen und Gedächtnis sowie der Pathogenese schwerer neurologischer Erkrankungen beitragen und möglicherweise auch zu neuen Therapiemöglichkeiten führen.
In dieser Arbeit wurde der Einfluss von zwei Angiotensin (1-7) Derivaten TXA301 und TXA302 im Vergleich mit einer Placebo behandelten Kontrollgruppe einer Rattenpopulation mit mittels vorübergehendem Verschluss der Arteria cerebri media (tMCAO) herbeigeführtem Schlaganfall auf die adulte Neurogenese durch Immunfluoreszenzfärbungen untersucht. Beide Derivate, TXA301 und TXA 302, und damit Angiotensin (1-7) haben einen Einfluss auf die adulte Neurogenese, was sich anhand der gegenüber der Kontrollgruppe erhöhten Doublecortin Zahlen beweisen lässt. Diese Neurone scheinen im Fall von TXA301 weniger gut zu überleben wie solche, die mit TXA302 behandelt wurden. Ebenfalls besteht ein messbarer Einfluss auf die Zellteilungsrate 21 Tage nach Applikationsende, da mehr phosphorylierte-Histon-H3 positive Zellen gemessen werden konnten. Die Mikroglia Aktivität wurde durch Angiotensin (1-7) ebenfalls beeinflusst, wie sich in der ionisierten-kalziumbindendes-Adaptermolekül-1 Färbung zeigen ließ. Somit ist die Beeinflussung der adulten Neurogenese nach einem ischämischen Schlaganfall durch die Angiotensin (1-7) Derivate anzunehmen und sollte in größeren Studien weiter untersucht werden.