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Aycan Senturk

• Der Neocortex der Säugetiere weist charakteristische Schichtungen auf, und jede dieser Schichten enthält verschiedene Typen von Neuronen, die in stereotypen Mustern angeordnet sind. Die Ausbildung dieser geschichteten Struktur ist nur dann möglich, wenn korrekte Migration von Neuronen von proliferativen Zonen zu deren Endpositionen stattfindet. Die exakte Migration und Schichtung wird von Mutationen beeinflusst, die entweder die migratorische Fähigkeit der Neuronen beeinträchtigen, oder deren Fähigkeit, die Position zu erkennen, an der sie die Wanderung beenden sollten (Gupta et al., 2002, Rice et al., 2001, Walsh et al., 2000). In den letzten Jahren wurde das extrazelluläre Protein Reelin als wichtiger Faktor bekannt, der sich auf mehrere Schritte der neuronalen Migration und Schichtung in der Großhirnrinde auswirkt (zusammengefasst in (Tissir et al., 2003). Das sekretierte Glykoprotein Reelin kontrolliert die Migration der Neuronen durch die Bindung an zwei Lipoproteinrezeptoren, den Very-low-density lipoprotein Rezeptor (VLDLR) und den Apolipoprotein E Rezeptor 2 (ApoER2) (D'Arcangelo et al., 1999). Die Bindung von Reelin an ApoER2 und VLDLR ruft die Phosphorylierung von Disabled-1 (Dab1) (D'Arcangelo et al., 1999, Howell et al., 1997), einem Adapterprotein, das an die intrazelluläre Domäne der Rezeptoren bindet, hervor, indem sie Kinasen der Src-Familie (SFKs) aktiviert (Arnaud et al., 2003, Bock et al., 2003a). Außer der Bedeutung des Reelin-Signalwegs für die korrekte Entwicklung des Nervensystems und dem Wissen, dass die Unterbrechung dieses Signalwegs zu verschiedenen neurologischen Krankheiten wie Epilepsie, Schizophrenie und der Alzheimerkrankheit führt (Costa et al., 2002, Botella-Lopez et al., 2006, Herz et al., 2006), ist die molekulare Grundlage der Aktivierung dieses Signalwegs an der Zellmembran noch kaum charakterisiert. Da VLDLR und ApoER2 keine intrinsische Kinaseaktivität besitzen, wurde die Existenz eines Korezeptors für mindestens eine Dekade vermutet, und die genaue Natur dieses Korezeptors ist unbekannt. EphrinBs, Transmembranliganden für Eph-Rezeptoren, besitzen die Fähigkeit zur Signalgebung, die für synaptische Plastizität und Angiogenese durch Sprossung erforderlich ist, indem sie die Aktivität anderer Transmembranrezeptoren wie AMPAR beziehungsweise VEGFR2 beeinflussen (Sawamiphak et al., 2010b, Segura et al., 2007, Essmann et al., 2008). Darüber hinaus führt die Stimulation von cortikalen Neuronen in Kultur mit löslichen EphB-Rezeptoren zur Rekrutierung und Aktivierung von SFKs in Membranpatches, in denen sich ephrinB-Liganden befinden (Palmer et al., 2002). Deshalb nehmen wir an, dass ephrinB in vivo funktionell mit dem Reelin-Signalweg verbunden sein könnte. Der Fokus dieser Arbeit liegt darin, zu zeigen, dass das neuronale Wegweisermolekül ephrinB einen entscheidenden Korezeptor für die Reelin-Signalgebung während der Entwicklung geschichteter Strukturen im Gehirn darstellt. Um zu erforschen, ob ephrinB und die Reelin-Signalgebung in vivo genetisch interagieren, wurden zuerst Mäuse mit Compound-Mutationen hergestellt, die eine Nullmutation im Gen für ephrinB3 tragen und heterozygot für Reelin sind (rl/+; b3-/-). Reeler ist eine autosomal rezessive Mutation der Maus, die, wenn sie heterozygot auftritt, keinen offenkundigen Phänotyp aufweist (Caviness et al., 1972, Caviness et al., 1978). Wir zeigen, dass ephrinBs genetisch mit Reelin interagieren, da Mäuse mit Compound-Mutationen (rl/+; b3 -/-) und ephrinB1-, B2- und B3-Dreifach-Knockouts die verschiedenen Defekte in der Entwicklung phänokopieren, die im Neocortex, Hippocampus und Cerebellum der reeler-Mäuse beobachtet wurden. Eines der Kennzeichen des reeler-Phänotyps ist die gestörte Schichtung der Großhirnrinde mit einer Marginalzone (MZ), die eine äußerst große Zahl an Zellen enthält (Caviness, 1982). Sowohl die Compound-Mäuse als auch die Triple-ephrinB1B2B3-knockouts zeigten eine Zunahme der Zellzahl in der MZ. Um die cortikalen Defekte detailliert zu charakterisieren, wurde die Verteilung von postmitotischen migrierenden Neuronen im Cortex von rl/+; b3-/- Compound-Mäusen mit Hilfe von unterschiedlichen schichtenspezifischen Markern für früh (Tbr1) (Hevner et al., 2001) und spät entstandene (SatB2 and Brn1) (Britanova et al., 2008, McEvilly et al., 2002) Neuronen, analysiert . Unsere Untersuchungen ließen die veränderte cortikale Schichtung in den rl/+; b3-/- Compound-Mäusen erkennen. So befanden sich früh entstandene Neuronen in den oberen cortikalen Schichten und spät entstandene in den unteren cortikalen Schichten, was für eine outside-in-Schichtung spricht, wie man sie von reeler kennt. Interessanterweise ist eine der frühesten strukturellen Abnormalitäten, die man im reeler-Cortex erkennen kann, die Unfähigkeit, die Preplate, die reich an extrazellulärer Matrix ist, in die Marginalzone und die Subplate aufzuspalten (Sheppard et al., 1997). Zum Zeitpunkt E17.5 zeigten rl/+; b3-/- Compound-Mäuse eine beachtliche Anhäufung von Chondroitin-Sulfat-Proteoglykan (CSPG), einer Komponente der extrazellulären Matrix, im gesamten Neocortex mit einer ungeteilten Schicht an der Oberfläche, welche übermäßig viel CSPG enthielt und somit die abnorme Teilung der Preplate der reeler-Maus nachahmte. Um zu bestätigen, dass die beobachteten Effekte auf die Schichtung des Cortex der rl/+; b3-/- Compound-Mäuse als Folge der Beeinträchtigung der neuronalen Migration auftritt, wurden zusätzlich BrdU-Puls-Experimente durchgeführt. BrdU wird in sich teilende Vorläuferzellen eingebaut und spiegelt deshalb das migratorische Verhalten von neu entstandenen Neuronen zum Zeitpunkt der Injektion wieder. Schwangeren Weibchen wurde BrdU zu den Zeitpunkten E12.5, E15.5 und E17.5 injiziert und die Gehirne wurden am postnatalen Tag 20 ausgewertet. Die Verteilung der mit BrdU gekennzeichneten Neuronen zu verschiedenen Zeitpunkten der Entwicklung in der Großhirnrinde bestätigte unsere Untersuchungen, die mit Hilfe der schichtspezifischen Marker durchgeführt worden waren. Deshalb deuten unsere Ergebnisse an, dass die beobachteten Defekte in der Schichtung des Cortex tatsächlich eine Folge von beeinträchtigter neuronaler Migration sind. Es wurde beobachtet, dass auch geschichtete Strukturen im Hippocampus in den rl/+; b3-/- Compound-Mäusen verändert sind, was für einen Crosstalk zwischen ephrinB3 und Reelin auch während der Entwicklung des Hippocampus spricht. Die CA1-Region des Hippocampus zeigte eine lockere Verbindung der pyramidalen Zellschichten, welche zu einer signifikanten Erhöhung der Dicke dieser Region und zu einer Einwanderung von Pyramidalzellen in das Stratum oriens führte. Darüber hinaus haben die Anomalien in den dendritischen Verzweigungen von Pyramidalneuronen der CA1-Region, die in Richtung der Reelin-produzierenden Cajal-Retzius-Zellen im stratum locunosum moleculare projizieren, in den rl/+; b3-/- Compound-Mäusen eine auffallende Ähnlichkeit mit denen, die in reeler-Mutanten beobachtet wurden. Reelin fungiert auch als Differenzierungsfaktor und Positionierungssignal für radiale Gliazellen, die positiv für glial fibrillary acidic protein (GFAP) sind und ein Gerüst für die korrekte Migration von neu entstandenen Granularzellen, die auf das Netzwerk der Granularzellen im Gyrus dentatus zuwandern (Forster et al., 2002) bilden. In rl/+; b3-/- Compound-Mäusen ist dieses Gerüst aus radialen Gliazellen schwerwiegend beeinträchtigt, was ebenfalls zu einer lockeren Organisation der Granularzellen im Gyrus dentatus führt. Die Ataxie in reeler-Mäusen ist das Ergebnis einer schwerwiegenden Fehlorganisation im Cerebellum dieser Mutanten (Tissir et al., 2003). Interessanterweise wurden nur milde Defekte in den Granularzellen, die sich in der internen Granularschicht des Cerebellums von rl/+; b3-/- Compound-Mäusen angesammelt haben, und keine Defekte in der Migration und der Verzweigung der Purkinjezellschicht, festgestellt. Stattdessen ist ephrinB2 in den Purkinjezellen des Cerebellums stark exprimiert (Liebl et al., 2003) und obwohl keine bedeutenden Defekte der Migration dieser Zellen festgestellt wurden, zeigte die Untersuchung der Verzweigung der Purkinjezellen in b2-/- Mäusen eindeutige Defekte, die bereits in einfachen ephrinB2-Mutanten auftraten. Bedeutend ist, dass die Defekte in der Verzweigung bei rl/+; b2-/- Compound-Mäusen signifikant verstärkt waren, was darauf hindeutet, dass der Reelin-Signalweg im Cerebellum spezifisch ephrinB2 benötigt. Um Einblicke in den Mechanismus zu erhalten, wie ephrinB-Liganden den Crosstalk mit Reelin durchführen, um die korrekte Positionierung von Neuronen in den geschichteten Strukturen des Gehirns zu kontrollieren, wurde als nächstes die biochemische Interaktion dieser beiden Signalwege untersucht. In einer gerichteten proteomischen Untersuchung mit Hilfe der Tandem affinity purification-mass spectometry-Methode (Angrand et al., 2006) von Proteinen aus eine Neuroblastom-Zelllinie, die ephrinB binden, wurde Reelin als ein Protein, das mutmaßlich mit ephrinB interagiert, identifiziert. Zunächst bestätigten wir die Fähigkeit von Reelin, mit ephrinBs zu assoziieren mit Ko-Immunpräzipitation beider endogener Proteine aus Gehirnlysaten. Das extrazelluläre Protein Reelin zeigte eine starke Bindung an die extrazelluläre Domäne von ephrinB3 und auch von ephrinB2, was andeutet, dass beide ephrin-Liganden die Funktionen von Reelin in vivo beeinflussen könnten. Die Stimulierung von cortikalen Neuronen mit Reelin führt zu einer effektiven Tyrosin-Phosphorylierung des Adapters Dab1. Da die Stimulation von cortikalen Neuronen mit einer löslichen, vorgeclusterten Form von EphB-Rezeptoren zur Rekrutierung und Aktivierung von Src-Kinasen in ephrinB-Clustern führt (Palmer et al., 2002), nehmen wir an, dass ephrinBs Src-Kinasen in VLDLR- und ApoER2-Rezeptor-Clustern rekrutieren und aktivieren könnten. Aktivierte Src-Kinasen phosphorylieren dann wiederum das Adapterprotein Dab1, das an VLDLR und ApoER2 gebunden ist und initiieren die weitere Signalgebung. In Übereinstimmung damit ko-immunpräzipitiert phosphoryliertes Dab1 zum Zeitpunkt E16.5 mit ephrinBs, während die neuronale Migration und die Schichtung des Cortex stattfindet. Darüber hinaus konnten wir beobachten, dass ephrinB3, das durch EphB3-Fc aktiviert wurde, sowohl Reelin, als auch ApoER2 und VLDLR in ephrinB3-Membranpatches in cortikalen Neuronen anhäuft. Die Aktivierung von ephrinB-Liganden durch Stimulation von cortikalen Neuronen mit EphB3-Fc führt zur Rekrutierung und Phosphorylierung von Dab1 in ephrinB-Clustern. Als nächstes befassten wir uns mit der Notwendigkeit von der durch ephrinB vermittelten Rekrutierung und Aktivierung von Src-Kinasen für den Reelin-Signalweg, indem wir Loss-of-function-Studien sowohl in cortikalen Neuronen in Kultur als auch in vivo in Mäusen durchführten. Cortikale Neuronen, die aus ephrinB3- und ephrinB2-Knockouts isoliert wurden, zeigten eine signifikante Beeinträchtigung der durch Reelin vermittelten Phosphorylierung von Dab1 und die Phosphorylierungslevels von Dab1 in ephrinB3 Mausmutanten waren stark verringert, was andeutet, dass ephrinBs Korezeptoren, die notwendig für einwandfreie Signalgebung durch Reelin sind, darstellen. Um die Bedeutung von ephrinBs für die Kontrolle der Funktion von Reelin zu untersuchen, arrangierten wir eine Reihe von Rescue-Experimenten sowohl in Neuronenkulturen als auch während der neuronalen Migration im Cortex in vivo. Aus reeler-Mäusen isolierte cortikale Neuronen zeigten die erwartet verringerte Phosphorylierung von Dab1, die rückgängig gemacht werden konnte, indem die Neuronen mit exogenem Reelin stimuliert wurden. Noch bedeutender ist die Tatsache, dass die Phosphorylierung von Dab1 durch die alleinige Aktivierung von ephrinBs mit EphB wiederhergestellt werden konnte, was die Bedeutung der ephrinBs als Korezeptoren für die Aktivierung des Signalwegs über die Rezeptoren für Reelin, VLDLR und ApoER2, wiederspiegelt. Um die Rolle von ephrinBs als Korezeptoren für den Reelin-Signalweg während der neuronalen Migration in der Großhirnrinde zu unterstreichen, setzten wir ähnliche Rescue-Experimente in organotypischen Schnittkulturen an. In den Schnitten von reeler-Mäusen und Wildtyp-Wurfgeschwistern wurde die Migration von Neuronen, die durch Fc als Kontrolle und EphB3-Fc stimuliert wurde, nach drei Tagen in Kultur untersucht. Die reeler-Schnitte zeigten den typischen reeler-Phänotyp in der Großhirnrinde. In Übereinstimmung mit der Annahme einer wirksamen Regulation des Reelin-Signalwegs war die Aktivierung von eprhinB mit EphB-Rezeptoren in der Lage, die migratorischen Defekte in reeler-Schnitten aufzuheben. Zusammengefasst identifizieren unsere Ergebnisse ephrinBs als Korezeptoren für den Reelin-Signalweg, die für die Funktion von Reelin in der neuronalen Migration während der Entwicklung der geschichteten Strukturen der Großhirnrinde, dem Hippocampus und dem Cerebellum notwendig sind. Unsere genetischen Analysen von ephrinB-Mutanten zeigen gemeinsam mit starken biochemischen Untersuchungen, dass ephrinBs in vivo für zahlreiche Aktivitäten von Reelin erforderlich sind.