Pediatric medulloblastoma (MB) is the most common solid malignant brain neoplasm, with group 3 (G3) MB representing the most aggressive subgroup. Despite MYC amplification representing an independent poor prognostic factor in G3 MB, efforts to target the MYC pathway have met with limited therapeutic success. As such, alternative mediators of G3 MB continue to be sought. The RNA binding protein and neural stem cell determinant Musashi-1 (MSI1) has been implicated in a number of adult stem cells in various organs (e.g., brain, gut, ovaries/testes) with mounting evidence that MSI1 is an essential regulator of cancer stem cells (e.g., brain, gut, lung). Early studies in MB have shown MSI1 to be essential for tumour maintenance, however the direct interactions and specific mechanisms conferring tumours with high MSI1 expression (i.e., G3 MB) are yet to be determined. Here, I show MSI1 is an essential moderator of G3 MB in both a MYC amplified and p53 mutated (MP) mouse model of G3 MB and patient-derived xenograft (PDX) models. MSI1 inhibition resulted in an abrogation of tumour initiation in both models, translating to a significantly prolonged survival. To determine how MSI1 regulates the post-transcriptional landscape of human G3 MB, an unbiased multiplatform approach was undertaken, using enhanced cross-linking and immunoprecipitation (eCLIP), and differential analyses post-MSI1 inhibition at the transcriptome-, proteome-, and translatome-wide scale, revealing MSI1's key role in moderating G3 MB-associated cancer driving genes. In summary, employing innovational multi-platform integrative approach to stem cell cancer biology, I show the neural RNA binding protein MSI1, an essential master stem cell regulator, is hijacked from its normal neural developmental function to orchestrate the aberrant translational landscape of G3 MB. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Brain tumours are the leading cause of childhood cancer death with medulloblastoma (MB) representing the most frequent malignant childhood brain tumour. Analysis of the data retrieved from multiple genetic studies of MB, we have determined that there are 4 genetic subgroups of MB: Wnt, Shh, Group 3 (G3) and Group 4 (G4). The subgroup with the worse prognosis is Group 3, and unique to this subgroup is the overproduction of the MYC gene products (i.e., MYC amplification). In fact, MYC amplification alone is associated with a poor prognosis in these children. As such many researchers and clinicians have been working together to find a way to target MYC. Although many pre-clinical experimental studies have cured MYC-amplified G3 MB using gene-targeting therapy, these results unfortunately have not translated into early clinical trials. Therefore, alternative targets that mediate the aggressiveness of MYC-amplified G3 MB is being sought. As cancer stem cells (CSC) have been implicated in tumour development and maintenance, a gene worthy of investigation in a neurodevelopmental tumour such as MB, is Musashi-1 (MSI1). MSI1 protein has been identified in high levels in many human cancers, been observed to play a crucial role in promoting normal stem cell features, and is also implicated in driving cancer. The protein that the MSI1 gene produces binds to genes and modifies them to either stabilize or destabilize their path to becoming a protein. By manipulating MSI1 in both NSC and MB CSC, I will observe how these cells either display greater or less cancer associated features. Further, with a new technology allowing researchers to identify MSI1 binding sites, we aim to determine how MSI1 modifies cancer causing and normal neural stem cell genes. Moreover, I will be studying both the gene-, pre-protein- and protein-level changes after experimentally manipulating MSI1 gene levels to tease out its’ main cancer associated function. Altogether, we found a core list of genes that MSI1 modulates with functional significance giving us clues for a therapeutic targeting strategy for G3 MB.

Die Neubildung von Neuronen persistiert lebenslang in der Subgranularzellschicht des Hippocampus und der Subventrikularzone des Großhirns und wird als adulte Neuroge-nese bezeichnet. Es wird vermutet, dass diese beim erwachsenen Menschen einen rele-vanten Einfluss auf degenerative Veränderungen, verschiedene neurologische Krank-heitsbilder und auf die (Dys-)Funktion des Gedächtnisses hat. Im Tiermodell wurde eine Verringerung der Neurogenese nach chronischer Morphingabe nachgewiesen. Vorarbeiten zeigten einen Zusammenhang zwischen chronischem Heroinmissbrauch und reaktiver Astrogliose, Mikrogliose und einer vermehrten Expression des polysialylated neural cell adhesion molecule im humanen Hippocampus. Daraus leitet sich die Hypothese ab, dass chronischer Heroinmissbrauch, als Modell für eine Abhängigkeitserkrankung, einen Einfluss auf die adulte humane Neurogenese hat. Es wurden in Formalin fixierte Gewebeproben aus dem Hippocampus von Verstorbenen mit einer letalen Heroinintoxikation und mit bekanntem Heroinmissbrauch (n = 20) un-tersucht und mit einer nach Alter und Geschlecht angepassten Kontrollgruppe (n = 28) verglichen. Hierbei wurden spezifische Neurogenesemarker mittels immunhistochemi-scher Methoden angewendet und ausgewertet. Es bestand eine generell sehr geringe zelluläre Proliferationsrate und eine signifikante Reduktion Musashi-1 positiver neuro-naler Vorläuferzellen bei gleichzeitig unveränderter Anzahl Nestin positiver reifender und Calretinin positiver migrierender postmitotischer Neurone. Zudem wurde ein ver-ändertes Calretinin-Expressionsmuster als Hinweis auf eventuelle funktionelle neuronale Defizite bei Drogenabhängigen festgestellt. Der potentielle Einfluss von chronischem Heroinmissbrauch auf die adulte humane Neurogenese wird erstmals gezeigt. Die Ergebnisse weisen auf eine negative Beeinflus-sung im Stadium neuronaler Vorläuferzellen und der Zellfunktion migrierender Neurone in der Fallgruppe im Vergleich zu einer gesunden Kontrollgruppe hin. Diese Hemmung der Neurogenese könnte eine Erklärungsmöglichkeit für kognitive Defizite und Funktionsstörungen des Gedächtnisses infolge chronischen Drogenkonsums bieten und zugleich eine Bedeutung bei der Entstehung von Abhängigkeitserkrankungen haben. Insofern könnte sich hier ein Ansatzpunkt für zukünftige Therapiestrategien derartiger Erkrankungen oder ihrer Folgen bieten.

Die Neubildung von Neuronen persistiert lebenslang in der Subgranularzellschicht des Hippocampus und der Subventrikularzone des Großhirns und wird als adulte Neuroge-nese bezeichnet. Es wird vermutet, dass diese beim erwachsenen Menschen einen rele-vanten Einfluss auf degenerative Veränderungen, verschiedene neurologische Krank-heitsbilder und auf die (Dys-)Funktion des Gedächtnisses hat. Im Tiermodell wurde eine Verringerung der Neurogenese nach chronischer Morphingabe nachgewiesen. Vorarbeiten zeigten einen Zusammenhang zwischen chronischem Heroinmissbrauch und reaktiver Astrogliose, Mikrogliose und einer vermehrten Expression des polysialylated neural cell adhesion molecule im humanen Hippocampus. Daraus leitet sich die Hypothese ab, dass chronischer Heroinmissbrauch, als Modell für eine Abhängigkeitserkrankung, einen Einfluss auf die adulte humane Neurogenese hat. Es wurden in Formalin fixierte Gewebeproben aus dem Hippocampus von Verstorbenen mit einer letalen Heroinintoxikation und mit bekanntem Heroinmissbrauch (n = 20) un-tersucht und mit einer nach Alter und Geschlecht angepassten Kontrollgruppe (n = 28) verglichen. Hierbei wurden spezifische Neurogenesemarker mittels immunhistochemi-scher Methoden angewendet und ausgewertet. Es bestand eine generell sehr geringe zelluläre Proliferationsrate und eine signifikante Reduktion Musashi-1 positiver neuro-naler Vorläuferzellen bei gleichzeitig unveränderter Anzahl Nestin positiver reifender und Calretinin positiver migrierender postmitotischer Neurone. Zudem wurde ein ver-ändertes Calretinin-Expressionsmuster als Hinweis auf eventuelle funktionelle neuronale Defizite bei Drogenabhängigen festgestellt. Der potentielle Einfluss von chronischem Heroinmissbrauch auf die adulte humane Neurogenese wird erstmals gezeigt. Die Ergebnisse weisen auf eine negative Beeinflus-sung im Stadium neuronaler Vorläuferzellen und der Zellfunktion migrierender Neurone in der Fallgruppe im Vergleich zu einer gesunden Kontrollgruppe hin. Diese Hemmung der Neurogenese könnte eine Erklärungsmöglichkeit für kognitive Defizite und Funktionsstörungen des Gedächtnisses infolge chronischen Drogenkonsums bieten und zugleich eine Bedeutung bei der Entstehung von Abhängigkeitserkrankungen haben. Insofern könnte sich hier ein Ansatzpunkt für zukünftige Therapiestrategien derartiger Erkrankungen oder ihrer Folgen bieten.:I. Inhaltsverzeichnis 1 II. Bibliografische Zusammenfassung 2 III. Abkürzungsverzeichnis 3 1. Einführung 4 1.1. Drogenabhängigkeit und Epidemiologie 4 1.2. Heroin 6 1.3. Hippocampus 9 1.4. Adulte Neurogenese 11 1.5. Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit 14 2. Materialen und Methoden 18 2.1. Fall- und Kontrollgruppe 18 2.2. Toxikologisch-chemische Untersuchungen 20 2.3. Immunhistochemie 21 2.4. Immunfluoreszenz und konfokale Mikroskopie 25 2.5. Quantifizierung, Datenanalyse und Statistik 26 3. Ergebnisse 28 3.1. Deskriptive Datenanalyse 28 3.2. Musashi-1 30 3.3. Nestin 31 3.4. Calretinin 32 3.5. Ki-67 34 3.6. Doublecortin 35 3.7. Doppelimmunfluoreszenz 36 4. Diskussion 37 4.1. Neurogenese – Proliferation (Ki-67) 38 4.2. Neurogenese – Differenzierung (MSI-1, Nestin) 39 4.3. Neurogenese – Reifung (Calretinin) 42 4.4. Methodische Grenzen und Fehlerbetrachtung 43 4.5. Fazit und Ausblick 46 5. Zusammenfassung der Arbeit 48 6. Literaturverzeichnis 52 7. Anlagen 1-8 65 IV. Selbständigkeitserklärung 73 V. Curriculum vitae 74 VI. Publikationen 75 VII. Danksagung 76

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第20729号 / エネ博第357号 / 新制||エネ||70(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻 / (主査)教授 片平 正人, 教授 森井 孝, 教授 木下 正弘 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DGAM

As more studies accumulate on the impact of diabetes mellitus on the central nervous system, they resound with the same conclusion - diabetes has a detrimental effect on cognition regardless of the presence of comorbidities. Less consistent however, are the specific mental processes wherein these declines are noticeable, and the structural changes that accompany these reductions in mental capacity. From global atrophy to changes in the volume of gray and white matter, to conflicting results regarding the effects of hypo- and hyperglycemic states on the development of the hippocampus, the studies display a variety of results. The goal of this research is to link the structural and compositional changes occurring in the diabetic brain with the clinical and behavioral findings highlighted in the literature, as well as to explore the potential mechanisms behind the pathologic brain state of diabetic encephalopathy. Using diabetic (OVE26) and non-diabetic wild type (FVB) mice as models, differences in the number of hippocampal neurons in the dentate gyrus, and cornu ammonis areas 1,2, and 3 were investigated through Nissl staining. Neurodegeneration was confirmed in those cells determined to be hyperchromatic in the diabetic model through staining with Fluoro-Jade C. Finally, the presence of progenitor cells in the hippocampus was compared in the diabetic and non-diabetic models using Musashi-1 antibodies, to determine whether neurogenesis in these areas is affected by diabetes. These experiments were performed to better understand the effect of DM on learning and memory, and could potentially explain the linkage between diabetes mellitus and the increased prevalence of Alzheimer’s disease, vascular dementia, and depression in this subset of the population.

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