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Flow hemodynamics regulates endothelial cell (EC) responses and laminar shear stress induces an atheroprotective and quiescent phenotype. The flow-responsive transcription factor KLF2 is a pivotal mediator of endothelial quiescence, but the precise mechanism is unclear. In this doctoral study, we assessed the hypothesis that laminar shear stress and KLF2 regulate endothelial quiescence by controlling endothelial metabolism.
Laminar flow exposure and KLF2 over expression in HUVECs reduced glucose uptake. Endothelial specific deletion of KLF2 (EC-KO) in mice and subsequent infusion of labeled glucose in Langendorff perfused hearts induced glucose uptake in ECs lacking KLF2. Bioenergetic measurements revealed that KLF2 reduces and glycolytic acidification in vitro.
Mechanistically, RNA sequencing analysis of shear stimulated ECs showed reduced expression of key glycolytic enzymes Hexokinase 2, PFKFB3 and PFK-1. KLF2 also reduced expression of these enzymes at protein level. KLF2 knockdown in shear stimulated ECs reversed the reduction in expression of PFKFB3 and PFK-1, indicating KLF2-dependency. Promoter analysis revealed KLF binding sites in the promoter of PFKFB3 and KLF2 over expression markedly reduced PFKFB3 promoter activity which was abolished on mutation of the KLF binding site. In addition, PFKFB3 knockdown reduced glycolysis while over expression increased glycolysis. Over expression of PFKFB3 along with KLF2 partially reversed the KLF2-mediated reduction in glycolysis. Importantly, PFKFB3 over expression reversed KLF2-mediated reduction in angiogenic sprouting and network formation in vitro. Ex-vivo aortic ring assays revealed an increase in endothelial sprouting from aortas from KLF2 EC-KO mice, which was partially reversed upon PFKFB3 inhibition by 3-PO.
In conclusion, work performed during this doctoral thesis demonstrates that laminar shear stress and KLF2 mediated repression of endothelial metabolism via regulation of PFKFB3 contributes to the anti-angiogenic and quiescent properties of the endothelium.
Angiogenesis, the formation of new blood vessels from existing ones, is a fundamental biological process required for embryonic development; it also plays an important role during postnatal organ development and various physiological and pathological remodeling processes in the adult organism. Vascular endothelial growth factor (VEGF) and its main receptor, VEGF receptor-2 (VEGFR-2), play a central role in angiogenesis. VEGFR-2 expression is strongly upregulated in angiogenic vessels, but the mechanisms regulating VEGFR-2 expression are not well understood. We found in this study that the G-protein α subunit Gα13 plays an important role in the regulation of VEGFR-2 expression. In vitro, we found that knockdown of Gα13 reduced VEGFR-2 expression in human umbilical vein endothelial cells and impaired responsiveness to VEGF-A. This phenotype was rescued by adenoviral normalization of VEGFR-2 expression. Gα13-dependent VEGFR-2 expression involved activation of the small GTPase RhoA and transcription factor NF-κB; it was abrogated by deletion of the NF-κB binding site at position -84 of the VEGFR-2 promoter. In vivo, endothelial cell-specific loss of Gα13 resulted in reduced VEGFR-2 expression, impaired responsiveness towards VEGF-A in Matrigel assays, and reduced retinal angiogenesis. Importantly, also tumor vascularization was diminished in the absence of endothelial Gα13, resulting in reduced tumor growth. Taken together, we identified Gα13-dependent NF-κB activation as a new pathway underlying the transcriptional regulation of VEGFR-2 during retinal and tumor angiogenesis.
Cardiac trabeculation is one of the essential processes required for the formation of a competent ventricular wall, whereby clusters of ventricular cardiomyocytes (CMs) from a single layer delaminate and expand into the cardiac jelly to form sheet-like projections in the developing heart (Samsa et al., 2013). Several congenital heart diseases are associated with defects in the formation of these trabeculae and lead to embryonic lethality (Jenni et al., 1999; Zhang et al., 2013, Jenni et al., 2001; Towbin 2010). It has been experimentally shown that lack of Nrg1/ErbB2/ErbB4, Angipoetin1/Tie2, EphrinB2/B4, BMP10, or any component of the Notch signaling pathway can cause defective trabeculation. Moreover, changes in blood flow and/or contractility can also affect trabeculation (Samsa et al., 2013). Together, these observations demonstrate that cardiac trabeculation is a highly dynamic and regulated process.
Trabeculation is a morphogenetic process that requires control over cell shape changes and rearrangements, similar to those observed during EMT. Epithelial cells within an epithelium are polarized and establish cell-cell junctions with the neighboring cells (Ikenouchi et al., 2003; Ferrer-vaquer et al., 2010), thus epithelial cell polarity is an important feature to maintain cell shape and tissue structure. During developmental processes such as cell migration and cell division or in disease states epithelial polarity might be disrupted. As a consequence of this alteration, cells lose their tight cell-cell adhesions, undergo cytoskeletal rearrangements, change their shape and gain migratory properties becoming mesenchymal cells (Micalizzi et al., 2010). In epithelial cells, apicobasal polarity is regulated by a conserved set of core complexes, including the PAR, Scribble and Crumbs complexes (Kemphues et al., 1988; Bilder and Perrimon, 2000; Teppas et al., 1984). The polarity proteins composing these complexes interact in a well organized and coordinated-manner creating molecular asymmetry along the apicobasal axis of the cell. In turn, this crosstalk regulates the maturation and stabilization of the junctions between cells and cytoskeleton in order to strengthen cell polarization (Roignot et al., 2013). Amongst the different polarity complex, Crumbs has been shown to be a key regulator of apicobasal polarity during development in both vertebrates and invertebrates (Tepass et al., 1990; Fan et al., 2004).
Here, taking advantage of zebrafish as a model organism, I study in vivo at single cell resolution changes in CM apicobasal polarity during cardiac trabeculation. Moreover, I show which factors regulate CM apicobasal polarity during this process. In addition, I dissect the role of the polarity complex Crumbs in regulating CM junctional rearrangements and the formation of the trabecular network.
Cerebellar ataxias are a group of neurodegenerative disorders primarily affecting the cerebellum. Although causative mutations in several genes have been identified there is currently no cure for ataxias.
The first part of this dissertation is focused on Spinocerebellar ataxia type 2 (SCA2). SCA2 is a dominant ataxia caused by repeat expansion mutations in the ATXN2 gene, which encodes the protein Ataxin2 (ATXN2). A polyglutamine (polyQ) tract consisting of CAG repeats interrupted by CAA was identified at exon 1 of ATXN2. Healthy individuals have between 22 and 23 glutamines, while expansions longer than 33 CAG repeats cause SCA2. The most noticeable symptom that SCA2 patients show is ataxic gait; however, they also show cerebellar dysarthria, dysdiadochokinesia, and ocular dysmetria caused by the progressive cerebellar degeneration.
To model the SCA2 disease, we generated a new mouse model where 100 CAG repeats were introduced in the mouse Atxn2 gene via homologous recombination. The characterization of this mouse model, Atxn2-CAG100-KIN, demonstrated that it reproduces the symptomatology observed in SCA2 patients. These animals showed significant loss of weight over time, brain atrophy, and motor deficits.
In addition, ATXN2 intermediate expansions have been linked to the pathology of Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) as a risk factor. ALS is a fatal neurodegenerative disease where the motor neurons in the brain and spinal cord degenerate. A hallmark of ALS is the presence of TDP43-positive inclusions in neurons and glia. Further studies of post mortem spinal cord samples from SCA2 patients showed severe and widespread neurodegeneration of the central somatosensory system. Therefore, it was of interest to further investigate the pathology affection of this tissue in the Atxn2-CAG100-KIN line and the relationship between ATXN2 and TDP43. The characterization of the spinal cord pathology via protein quantification, transcript quantification, and immunohistochemistry showed a preferential affection of RNA binding proteins (RBP) in the spinal cord rather than the cerebellum. The ALS-linked factors TDP43 and TIA1 showed time-dependent co-aggregation with ATXN2 in spinal cord sections together with an increase of CASP3 levels. Therefore, this mouse model can help develop new therapies and evaluate their effect in differently affected areas.
A transcriptome data set from Atxn2-CAG100-KIN spinal cord samples at the final disease stage of this mouse model showed a strong up-regulation of RNA toxicity-, immune- and lysosome-implicated factors. These data pointed to a pathological reactivation of the synaptic pruning and phagocytosis in microglia. ATXN2-positive aggregates were found in microglia from spinal cord sections of 14-month-old Atxn2-CAG100-KIN via immunohistochemistry. The characterization of microglial response and the potentially deleterious effects of the expanded ATXN2 in this cell type could lead to therapies to improve patients’ living standards or delay the symptoms’ onset.
The second part of this thesis was focused on an autosomal recessive form of cerebellar ataxia, Ataxia Telangiectasia (A-T), with childhood onset. A-T patients show severe cerebellar atrophy manifesting as ataxia when the child starts to walk. The genetic cause of A-T is loss-of-function-mutations in the Ataxia Telangiectasia Mutated gene (ATM). ATM is a kinase involved in DNA damage response, oxidative stress, insulin resistance, autophagy via mTOR signaling, and synaptic function.
Working with proteome data from cerebrospinal fluid of 12 A-T patients and 12 healthy controls, we aimed to define novel biomarkers that would allow following the neurodegeneration in extracellular fluid. Additional validation efforts with ~2-month-old Atm-knock-out (Atm-/-) cerebellar samples helped us to define a scenario were the deficit of vesicle-associated ATM alters the secretion of ApoB, reelin, and glutamate. As extracellular factors, apolipoproteins and their cargo such as vitamin E may be useful for neuroprotective interventions.
Bei Autismus-Spektrum-Störungen (ASS) handelt es sich um genetisch komplexe Störungen mit hoher Erblichkeit. Als zugrundeliegender Pathomechanismus von ASS werden unter anderem Veränderungen der neuronalen Entwicklung diskutiert. Der Phänotyp von ASS ist definiert durch Einschränkungen in der sozialen Interaktion und Kommunikation sowie repetitives und stereotypes Verhalten. Genkopiepolymorphismen (englisch „copy number variations“/CNVs), also Deletionen oder Duplikationen einer chromosomalen Region, wurden wiederholt in Probanden mit ASS identifiziert. Hierbei ist in ASS die Region 16p11.2 mit am häufigsten von CNVs betroffen. Einige Gene aus diesem chromosomalen Abschnitt wurden bereits funktionell charakterisiert. Dennoch können die Befunde der bisherigen Einzelgenstudien nicht alle Aspekte erklären, die durch 16p11.2 CNVs hervorgerufen werden. Ziel dieser Studie war es daher, ein weiteres neuronal assoziiertes Kandidatengen dieser Region zu identifizieren und im Anschluss funktionell im Kontext der neuronalen Differenzierung zu charakterisieren.
Das SH-SY5Y Neuroblastom-Zellmodell wurde auf Transkriptom- und morphologischer Ebene auf seine Eignung als Modell für neuronale Differenzierung untersucht und bestätigt. Eine Analyse der Expressionen aller Gene der 16p11.2-Region zeigte, dass das Gen Quinolinat-Phosphoribosyltransferase (QPRT) eine vergleichsweise hohe Expression mit der stärksten und robustesten Regulierung über die Zeit aufwies. Eine de novo Deletion der 16p11.2-Region wurde in einem Patienten im Vergleich zu seinen Eltern validiert. In Patienten-spezifischen lymphoblastoiden Zelllinien derselben Familie konnten wir eine Gendosis-abhängige Expression von QPRT auf RNA-Ebene bestätigen. In SH-SY5Y-Zellen korrelierte die Expression von QPRT signifikant mit der Entwicklung von Neuriten während der Differenzierung. Um QPRT funktionell zu charakterisieren, benutzten wir drei verschiedene Methoden zur Reduktion der QPRT-Gendosis: (i) knock down (KD) durch siRNA, (ii) chemische Inhibition durch Phthalsäure und (iii) knock out (KO) über CRISPR/Cas9-Geneditierung. Eine Reduktion von QPRT durch siRNA führte zu einer schwachen Veränderung der neuronalen Morphologie differenzierter SH-SY5Y-Zellen. Die chemische Inhibition sowie der genetische KO von QPRT waren letal für differenzierende aber nicht für proliferierende Zellen. Eine Metabolitenanalyse zeigte keine Veränderungen des QPRT-assoziierten Tryptophanstoffwechsels. Gene, welche auf Transkriptomebene im Vergleich zwischen KO- und Kontrollzellen differenziell reguliert vorlagen, waren häufig an Prozessen der neuronalen Entwicklung sowie an der Bildung, Stabilität und Funktion synaptischer Strukturen beteiligt. Die Liste differenziell regulierter Gene enthielt außerdem überdurchschnittlich viele ASS-Risikogene und ko-regulierte Gengruppen waren assoziiert mit der Entwicklung des dorsolateralen präfrontalen Cortex, des Hippocampus sowie der Amygdala.
In dieser Studie zeigten wir einen kausalen Zusammenhang zwischen QPRT und der neuronalen Differenzierung in vitro sowie einen Einfluss von QPRT auf die Regulation von ASS-assoziierten Genen und Gen-Netzwerken. Funktionell standen diese Gene im Kontext mit synaptischen Vorgängen, welche durch Veränderungen zu einem Exzitations-Inhibitions-Ungleichgewicht und letztendlich zum Zelltod von Neuronen führen können. Unsere Ergebnisse heben in Summe die wichtige Rolle von QPRT in der Krankheitsentstehung von ASS, insbesondere in Trägern einer 16p11.2 Deletion, hervor.
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.
Die Analyse früher Entwicklungsstadien von Säugetierembryonen und daraus gewonnener Stammzelllinien kann entscheidende Erkenntnisse im Bereich der Reproduktionsbiologie und der regenerativen Medizin hervorbringen. Dabei spielt die Maus, als geeignetes Modellsystem für die Übertragbarkeit auf den Menschen eine wichtige Rolle, in erster Linie weil die Blastozysten der Maus verglichen mit menschliche Blastozysten eine morphologische Ähnlichkeit aufweisen. Humane embryonale Stammzelllinien haben großes Potential für die Anwendung in der regenerativen Medizin und vergleichend dazu wurde Gen-Targeting in embryonalen Stammzellen verwendet, um tausende neuer Mausstämme zu generieren. Die Gewinnung embryonaler Stammzellen erfolgt im Blastozystenstadium, diese können dann nach Injektion in eine andere Blastozyste zur Entwicklung aller Gewebearten, einschließlich der Keimbahngewebe, beitragen (Martin, 1981; Evans and Kaufman 1981).
Ursache einer Fehlgeburt können vor allem Defekte in der Entwicklung des Trophoblasten und des primitive Entoderms (PrE) sein, dabei sind ca. 5 % der Paare betroffen die versuchen ein Kind zu bekommen (Stephenson and Kutteh, 2007). Eine Untersuchung dieser Zelllinien im Mausmodell könnte weitere Erkenntnisse für die Gründe einer Fehlentwicklung liefern. Trophoblasten Stammzelllinien können aus den Blastozysten der Maus und dem extraembryonalen Ektoderm von bereits implantieren Embryonen gewonnen werden (Tanaka et al., 1998). Diese Zelllinien geben Aufschluss über die Entwicklung des Trophoblasten, fördern die Entwicklung der Plazenta und sind gleichzeitig ein gutes Modellsystem um die Implantation des Embryos im Uterus näher zu untersuchen. Zellen des primitive Entoderms (PrE) beeinflussen das im Dottersack vorhandene extraembryonale Entoderm, welches dort als “frühe Plazenta” fungiert und für die Versorgung des Embryos mit Nährstoffen zuständig ist (Cross et al., 1994). Des Weiteren besitzt das Entoderm einen induktiven Einfluss auf die Bildung von anterioren Strukturen und die Bildung von Endothelzellen sowie Blutinseln (Byrd et al., 2002).
Extraembryonale Endodermstammzellen (XEN Zellen) können aus Blastozysten gewonnen und in embryonale Stammzellen (ES-Zellen) umgewandelt werden (Fujikura et al., 2002; Kunath et al., 2005). Es war jedoch nicht bekannt, ob XEN-Zellen auch aus Postimplantations-Embryonen gewonnen werden können. XEN-Zellen tragen in vivo zur Entwicklung des Darmendoderms bei (Kwon et al., 2008; Viotti et al., 2014) und könnten als alternative, selbsterneuernde Quelle für extraembryonale Endoderm-abgeleitete Zellen dienen, die zur Herstellung von Geweben für die regenerative Medizin verwendet werden könnten (Niakan et al., 2013).
In der Embryogenese der Maus zeigt sich an Tag E3.0 eine kompakte Morula die sich allmählich in das Trophektoderm (TE) differenziert, welches wiederum den Embryonalknoten (“innere Zellmasse”) umschließt (Johnson and Ziomek, 1981). Ein wichtiger Schritt im Rahmen der Entwicklung findet an Tag E3.5 statt, in diesem Zeitraum gehen aus dem Embryonalknoten der pluripotente Epiblast und das primitive Entoderm hervor. Im späten Blastozystenstadium an Tag E4.5 liegt das PrE als Zellschicht entlang der Oberfläche der Blastocoel-Höhle. Aus dem Epiblast entwickeln sich im weiteren Verlauf der Embryo, das Amnion und das extraembryonale Mesoderm des Dottersacks. Die Zellen des Trophektoderm führen zur Entwicklung der Plazenta. Das PrE differenziert sich im Zuge der Weiterentwicklung in das viszerale Entoderm (VE) und das parietale Entoderm (PE) des Dottersacks (Chazaud et al., 2006; Gardner and Rossant, 1979; Plusa et al., 2008). VE umgibt den Epiblast und extraembryonisches Ektoderm (ExE). PE-Zellen wandern entlang der inneren Oberfläche von TE und sezernieren zusammen mit Trophoblasten-Riesenzellen Basalmembranproteine, um die Reichert-Membran zu bilden (Hogan et al., 1980). Die Reichert-Membran besteht aus Basalmembranproteinen, einschließlich Kollagenen und Lamininen, die zwischen den parietalen Endoderm- und Trophoblastzellen liegen. Diese Membran wirkt als ein Filter, der dem Embryo den Zugang zu Nährstoffen ermöglicht, während er eine Barriere zu den Zellen der Mutter bildet (Gardner, 1983).
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Despite constant progress in basic and translational research, cancer is still one of the leading cause of death. In particular, tumors of the central nervous system (CNS) are usually associated with dismal prognosis. Although about 100 distinct subtypes of primary CNS tumors have been classified molecularly, metastases derived from primaries outside the CNS (= brain metastases, BrM) are more frequently observed across brain tumor patients. It is estimated that approximately 20 - 40 % of all cancer patients will develop BrM during their course of disease, and basically every tumor type is able to metastasize to the brain. Nevertheless, BrM are most frequently derived from primaries of the lung, breast, and skin (melanoma). Treatment options for patients with BrM are very limited, and standard of care therapies include surgery, ionizing radiation (e.g. whole brain radio-therapy, WBRT), and some systemic and immuno-therapeutic approaches.
The brain represents a unique organ, which in part is due to the presence of the blood-brain barrier, a unit of the neuro-vascular interface ensuring tightly regulated exchange of nutrients, molecules, and cells. Furthermore, apart from microglia the brain parenchyma does not harbor other immune cells. Those cells however can be found at the borders of the CNS residing in the meninges, for instance. Based on recent insight on the immune landscape in the CNS, a paradigm shift occurred after which the brain is no longer regarded as immune-privileged but rather immune distinct. The phenomenon of immune cell infiltration has been described before in the context of neurological disorders including Multiple Sclerosis, as well as in brain tumors.
Since the development of immune-therapeutic approaches for tumors outside the CNS that aim to evoke sustainable anti-tumor effects, it became increasingly interesting to understand and harness the immune landscape (= tumor microenvironment, TME) of brain tumors, as well. Interestingly, most of the knowledge about the TME is based on studies of primary brain tumors. However, it is known that BrM compared to primary brain tumors induce a different TME like e.g. the recruitment of much more lymphocytes, which is one of the reasons primary brain tumors are considered immunologically “cold” and poorly respond to immuno-therapies. Previous insight into the functional contribution of tumor-associated cells in BrM progression revealed for example that brain-resident cell types (e.g. astrocytes or microglia) promote BrM development and outgrowth. However, until recently a comprehensive view on the cellular composition and functional role of the brain metastases-associated TME was missing and little was known how it changes during tumor progression or standard therapy.
Hence, within this thesis it was sought to describe novel aspects of the TME of preclinical BrM models, which include two xenograft and one syngeneic mouse model. BrM was induced via intra-cardiac injection of tumor cells with a high brain tropism. Both xenograft models were based on immuno-compromised nude mice (Balb/c nude) and included the melanoma-to-brain (M2B) model H1_DL2, and the lung-to-brain (L2B) model H2030. In addition the breast-to-brain model 99LN-BrM was used in wild-type mice (BL6), and therefore represented an immuno-competent, syngeneic model. First BrMs could be detected in the xenograft models at 3 weeks after injection, whereas first 99LN BrMs were detected at 5 weeks. BrM development and progression were monitored by bioluminescence imaging once per week in the xenograft models. Tumor progression in the 99LN model was examined by magnetic resonance imaging. Based on the measurement methods, and for further histologic and cytometric experiments, mice were stratified into groups with small or large BrMs, respectively. Some initial immuno-stainings confirmed previous findings, showing that brain-resident cells like astrocytes and microglia become activated in the presence of tumor cells, whereas neurons for example rather give the impression of passive bystanders. Importantly, an accumulation of IBA1+ cells was observed during BrM progression. IBA1 is a pan-macrophage marker that stains all tumor-associated macrophages (TAMs). However previous work suggested that the TAM population consists of at least two main subpopulations in BrM as well: the resident-infiltrating microglia (MG, TAM-MG), as well as the peripheral and monocytic-derived macrophages (TAM-MDM). Since both cell types within the tumor share morphological traits, and due to the lack of markers to distinguish them, an exact discrimination of both cell types was complicated in the past. Recently, an integrative lineage-tracing-based study identified the integrin CD49d as MDM-specific in the context of brain tumor-associated myeloid cells, hence enabling a reliable dissection of both TAM populations in e.g. flow cytometric experiments.
One of the main aims of this thesis was to dissect the myeloid TME in the three different BrM models during tumor progression. Using a 5-marker flow cytometry (FCM) (CD45/CD11b/Ly6C/Ly6G/CD49d) approach, the following cell populations were examined in more detail: granulocytes, inflammatory monocytes, MDM, and MG.
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My PhD work employed genetic and pharmacological manipulations, coupled with highresolution live imaging, to understand intercellular communications during zebrafish cardiovascular development. The heart is the first organ to form, and it is composed of several tissues, among which interactions are crucial. I identified two important interactions between muscular and non-muscular tissues in poorly characterized contexts, and the molecules required for the signalling. First, I discovered an important cellular and molecular crosstalk orchestrating the development of the cardiac outflow tract (i.e., the aortic root in mammals).
Endothelial-derived TGF-beta signalling controls the generation of the local extracellular matrix (ECM). The ECM in turn affects endothelial proliferation as well as smooth muscle cell organization (Boezio et al, 2020; Bensimon-Brito*, Boezio* et al, 2020). In my second project, I investigated the crosstalk between the epicardial layer and the myocardial wall. By generating epicardial-impairment models, I identified a novel role for the epicardium in regulating cardiomyocyte volume during heart development (Boezio et al, 2021). Ultimately, this research contributed to our understanding of how paracrine signalling controls the multicellular interactions integral to organogenesis.
This thesis reports on the results obtained by expression photoactivatable adenylyl cyclase from Beggiatoa spp. (bPAC) in cholinergic neurons from Caenorhabditis elegans (C. elegans) and the characterization of the role of a single neuron, RIS, during locomotion in the adult animal.
Pharmacological activation of adenylyl cyclases through Forskolin is known to induce increased neuronal output in diverse model organisms through a protein kinase A (PKA) dependent mechanism. Nevertheless, pharmacological assays are not spatially restricted, do not allow for precise and acute activation nor to cessation of the signal. Thus, an optogenetic approach for was selected trough the expression of photoactivatable adenylyl cyclase from Beggiatoa spp. (bPAC) in cholinergic neurons of Caenorhabditis elegans (C. elegans). This model organism was chosen due to its transparency, ease of maintenance, fast generation cycles as well as for being an eutelic animal. Further, its genome has been fully sequenced and the connectome of the neuronal network is known, thus allowing for precise analysis of neuronal function. Furthermore, the molecular mechanisms governing neuronal functions are well conserved up to primates. Mainly two optogenetical tools were applied, bPAC and the light gated cation channel channelrhodopsin 2 (ChR2).
Behavioral assays of bPAC photostimulation in cholinergic neurons recapitulated previous work performed with the photoactivatable adenylyl cyclase from Euglena gracilis (EuPACa), in which swimming frequency and speed on solid substrate were increased. Electrophysiological recordings of body wall muscle (BWM) cells by Dr. Jana F. Liewald showed that bPAC photoactivation led to an increase in miniature postsynaptic current (mPSC) rate and, in contrast to ChR2 invoked depolarization, also amplitude. Analysis of mutants deficient in neuropeptidergic signaling (UNC- 31) via electrophysiology performed by Dr. Jana F. Liewald showed that the increase in mPSC amplitude due to bPAC photoactivation requires neuropeptide release. This was confirmed by co-expression of bPAC with the neuropeptide marker NLP-21::Venus and subsequent fluorescence analysis of release, exploiting the fact that released neuropeptides are ultimately degraded by scavenger cells (coelomocytes). These were enriched with NLP-21::Venus after bPAC photostimulation, but no fluorescence could be observed in the UNC-31 mutants.
Additional analysis of the electrophysiological data performed by myself showed no modulation of mPSC kinetics dues to neuropeptidergic release induced by bPAC. Hence, neuropeptide release and action sites were in the cholinergic neurons, the latter including cholinergic motoneurons.
Dr. Szi-chieh Yu provided electron microscopy images of high pressure frozen, bPAC or ChR2 expressing animals. These were tagged by myself for automatic analysis of ultrastructural properties of the cholinergic presynapse, also during photoactivation of both optogenetic tools. Photoactivation of both induced a reduction of synaptic vesicles, with ChR2 showing a more severe effect. In contrast to ChR2, though, bPAC also reduced the amount of dense core vesicles (DCV), the neuropeptide transporters. Additionally, long bPAC photoactivation as well as ChR2 photoactivation led to the appearance of large vesicles (LV), presumably in response to the increased SV fusion rate. bPAC photostimulation also induced an increase in SV size, not observed after ChR2 photostimulation. In UNC-31 mutants, bPAC photostimulation could not lead to the SV size increase, a further argument for the presynaptic effect of the released neuropeptide. Additional analysis of electrophysiology paired with pharmacology, performed by Dr. Jana F. Liewald, showed that mPSC amplitude increase requires the function of the vesicular acetylcholine transporter.
A further effect observed in the ultrastructure of bPAC photostimulated cholinergic presynapses was a shift in the distribution of SV regarding the dense projection. An analysis of cAMP pathway mutants showed that synapsin is required for bPAC induced behavior effects. Synapsin is known to mediate SV tethering to the cytoskeleton. Here, I show evidence for a new role of synapsin in controlling the availability of DCVs for fusion and thus, in neuropeptidergic signaling.
In the second part of my thesis I characterized the function of the GABAergic interneuron RIS in the neuronal network of C. elegans. RIS was shown to induce lethargus, a sleep-like state, during all larval molts, but its function in the adult animal was not yet described. Specific RIS expression of ChR2 achieved by a recombinase based system allowed to acutely depolarize the neuron during locomotion, which led to an acute behavioral stop. Diverse signal transduction pathway mutants were analyzed showing that the phenotype was induced by neuropeptidergic signaling. Through mutagenesis followed by whole genome sequencing data analysis as well as analysis of RIS specific RNA sequencing data further narrowed the signal transduction pathway to mediate the locomotion stop behavior. Since the neuropeptide and, to some extent, the neuron are conserved across nematodes, an argument is outlined in favor of the conservation of this sleep-like state.
In addition, since ChR2 could induce neuropeptidergic signaling from RIS, secretion of vesicles is regulated by variable pathways depending on the neuronal identity. Nevertheless, expression of bPAC in RIS allowed to optogenetically increase the probability of short stops, as observed by expression of a calcium sensor (GCaMP) in RIS and analysis of its intrinsic activity in the adult animal.