Die neurodegenerative Krankheit Spinale Muskelatrophie (SMA) wird durch den Mangel an funktionellem Survival Motor Neuron Protein (SMN) verursacht. Eine Funktion von SMN liegt in der Biogenese spleißosomaler UsnRNPs (U-rich small nuclear ribonucleoprotein particles). Diese Arbeit zeigt in einem SMA-Modell in Hela-Zellkultur, dass der SMN-Mangel zu einer reduzierten de novo-Produktion der spleißosomalen UsnRNPs führt. In einem Zebrafisch-Modell für SMA wurde nachgewiesen, dass die reduzierte UsnRNP-Produktion die Degenerationen von Axonen der Motoneuronen verursacht, einen Phänotyp wie er bei SMA auftritt. Damit konnte erstmals eine direkte Verbindung zwischen einer zellulären Funktion von SMN und der Entstehung von SMA hergestellt werden. / The neurodegenerative disease spinal muscular atrophy (SMA) is caused by unsufficient production of the survival motor neuron protein (SMN). This study shows in a SMA-model in Hela cells that SMN deficiency results in reduced de novo synthesis of spliceosomal UsnRNPs (U-rich small nuclear ribonucleoprotein particles). A zebrafish model for SMA revealed that the impaired synthesis of UsnRNPs is a direct cause for the degeneration of axons in motor neurons. This is the first link between a cellular function of SMN and the pathogenesis of SMA.

In highly polarized cells like neurons, cytoskeleton dynamics play a crucial role in establishing neuronal connections during development and are required for adult plasticity. Actin turnover is particularly important for neurite growth, axon path finding, branching and synaptogenesis. Motoneurons establish several thousand branches that innervate neuromuscular synapses (NMJs). Axonal branching and terminal arborization are fundamental events during the establishment of synapses in motor endplates. Branching process is triggered by the assembly of actin filaments along the axon shaft giving rise to filopodia formation. The unique contribution of the three actin isoforms, α-, β- and γ-actin, in filopodia stability and dynamics during this process is not well characterized. Here, we performed high resolution in situ hybridization and qRT-PCR and showed that in primary mouse motoneurons α-, β- and γ-actin isoforms are expressed and their transcripts are translocated into axons. Using FRAP experiments, we showed that transcripts for α-, β- and γ-actin become locally translated in axonal growth cones and translation hot spots of the axonal branch points. Using live cell imaging, we showed that shRNA depletion of α-actin reduces dynamics of axonal filopodia which correlates with reduced number of collateral branches and impairs axon elongation. Depletion of β-actin correlates with reduced dynamics of growth cone filopoida, disturbs axon elongation and impairs presynaptic differentiation. Also, depletion of γ-actin impairs axonal growth and decreases axonal filopodia dynamics. These findings implicate that actin isoforms accomplish unique functions during development of motor axons. Depletions of β- and γ-actin lead to compensatory upregulation of other two isoforms. Consistent with this, total actin levels remain unaltered and F-actin polymerization capacity is preserved. After the knockdown of either α- or γ-actin, the levels of β-actin increase in the G-actin pool indicating that polymerization and stability of β-actin filaments depend on α- or γ-actin. This study provides evidence both for unique and overlapping function of actin isoforms in motoneuron growth and differentiation. In the soma of developing motoneurons, actin isoforms act redundantly and thus could compensate for each other’s loss. In the axon, α-, β- and γ-actin accomplish specific functions, i.e. β-actin regulates axon elongation and plasticity and α- and γ-actin regulate axonal branching. Furthermore, we show that both axonal transport and local translation of α-, β- and γ-actin isoforms are impaired in Smn knockout motoneurons, indicating a role for Smn protein in RNA granule assembly and local translation of these actin isoforms in primary mouse motoneurons. / In stark polaren Zellen wie den Neuronen ist die Etablierung neuronaler Netzwerke ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung des zentralen Nervensystems und spielt für die adulte Plastizität eine wesentliche Rolle. Besonders die Aktindynamik ist wichtig für das Neuritenwachstum, die axonale Wegfindung und Verzweigung, sowie die Synaptogenese. Motoneurone bilden mehrere tausend terminale Verzweigungen aus, um neuromuskuläre Endplatten (NMJ) zu innervieren. Die axonale Verzweigung ist ein fundamentales Ereignis bei Ausbildung synaptischer Verbindungen zwischen Motoneuron und innerviertem Muskel. Die Axonverzweigung geschieht durch die Polymerisierung von Aktin entlang des Axonschafts, was zur Entstehung von Filopodien und Lamellopodien führt. Allerdings ist die genaue Funktion der drei Aktin-Isoformen (α-, β- and γ-Actin), im Zusammenhang mit der Regulation der Filopodienstabilität und deren Dynamik, noch weitestgehend unbekannt. Somit konnten wir in dieser Arbeit mit Hilfe hoch sensitiver in situ Hybridisierungs- und qRT PCR Techniken zeigen, dass in primären Mausmotoneuronen alle drei Aktinisoformen (α-, β- und γ) exprimiert, und deren Transkripte entlang des axonalen Kompartiments transportiert werden. Unsere FRAP Daten weisen darauf hin, dass α-, β- und γ-Aktin sowohl im Wachstumskegel als auch an sogenannten „Translation Hot Spots“ innerhalb axonaler Verzweigungspunkte lokal synthetisiert werden. Anhand von „Live Cell Imaging“ Experimenten konnten wir dann zeigen, dass ein α-Aktin Knockdown die Dynamik axonaler Filopodien stark reduziert, und als Folge, die Anzahl von axonalen Verzweigungen und die Axonlänge verringert ist. Hingegen geht ein β-Aktin Knockdown mit reduzierter Filopodiendynamik im Wachstumskegel und betroffener Differenzierung präsynaptischer Strukturen einher. Veränderungen des axonalen Wachstum und der Filopodiendynamik sind ebenfalls bei einem γ-Aktin Knockdown zu beobachten. Diese Daten weisen darauf hin, dass die drei Aktinisoformen unterschiedliche Funktionen bei der Entwicklung von Motoraxonen haben. Darüber hinaus zeigen unsere Daten, dass die Herunterregulation einer Aktinisoform durch eine erhöhte Expression der beiden anderen Isoformen kompensiert wird. Dieser Kompensationsmechanismus erlaubt es, die gesamte Aktinmenge und somit die F-Aktin-Polymerisation in der Zelle aufrechtzuerhalten. Sehr interessant dabei ist die Beobachtung, dass nach einem α- oder γ-Actin Knockdown das G/F-Verhältnis verändert ist, so dass die Menge an β-Aktin im G-Aktin Pool steigt und im F-Aktin Pool abnimmt. Daher beruhen Polymerisation und Stabilität von β-Aktin auf den α-, und γ-Aktinisoformen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle drei Aktinisoformen übergreifende Funktionen während Wachstum und Differenzierung von Motoneuronen haben. Im Zellkörper von sich entwickelnden Motoneuronen übernehmen sie ähnliche Aufgaben und können sich somit gegenseitig kompensieren. Im Gegensatz dazu sind die Funktionen im axonalen Kompartiment wesentlich spezifischer. Hier reguliert β-Aktin axonales Wachstum und Plastizität, während α- und γ-Aktin eine entscheidende Rolle bei der Ausbildung axonaler Verzweigungen haben. Unsere Arbeit lässt nun Rückschlüsse über mögliche Funktionen des SMN Proteins beim Aufbau der sogenannten „RNA Granules“ und lokaler Proteinbiosynthese der verschiedenen Aktinisoformen in primären Mausmotoneuronen zu.

Ulm, Univ., Diss., 2007.

Hannover, Univ., Diss., 2007

Universiẗat, Diss., 2005--Würzburg.

Die spinale Muskelatrophie (SMA) ist eine monogenetische Erkrankung, bei der es durch den Verlust des SMN Proteins zur Degeneration der α-Motoneurone im Rückenmark kommt. Abhängig vom Schweregrad zeigen die Patienten bereits innerhalb der ersten Lebensmonate ausgeprägte Lähmungen der Skelettmuskulatur und eine Zwerchfellparese einhergehend mit einer reduzierten Lebenserwartung. Mithilfe von Mausmodellen für die SMA konnte gezeigt werden, dass der Motoneuronenverlust bei Smn-defizienten Mäusen mit Störungen der Neurotransmission an der motorischen Endplatte und mit Differenzierungsstörungen der Motoneurone einhergeht. Die Differenzierungs-störungen primärer Smn-defizienter Motoneurone sind eng gekoppelt mit einer verminderten Clusterbildung spannungsabhängiger Kalziumkanäle im distalen axonalen Bereich. Dies wiederum führt zu einer verminderten Frequenz spontaner Kalziumeinströme am Axonterminus und hat eine veränderte axonale Elongation zur Folge. Es wurden folgende Aspekte in Bezug auf die Verstärkung und die Induktion spontaner Kalziumeinströme in Mausmodellen für spinale Muskelatrophien in dieser Arbeit adressiert: 1) Lassen sich spontane Kalziumeinströme in Smn-defizienten Motoneuronen durch die externe Applikation von Kalziumkanalagonisten verstärken? 2) Sind spontane Kalziumeinströme in primären Motoneuronen durch den Brain-derived-neurotrophic-factor (BDNF) induzierbar? 3) Zeigen primäre Motoneurone eines Mausmodells für spinale Muskelatrophie mit Ateminsuffizienz Typ 1 (SMARD1) ebenfalls veränderte Kalziumtransienten? Die Ergebnisse meiner Arbeit zeigen, dass durch den Kalziumkanalagonisten R-Roscovitine die Frequenz der spontanen Kalziumeinströme im distalen Axon von Smn-defizienten Motoneuronen signifikant erhöht wird. Dies hat wiederum einen regulierenden Effekt auf die Differenzierung der SMA Motoneurone zur Folge. Smn-defiziente Motoneurone zeigen somit keine Unterschiede mehr in Bezug auf Axonlängen und Wachstumskegelflächen im Vergleich zu Kontrollzellen. Für R- 10 Roscovitine ist neben der agonistischen Wirkung am Kalziumkanal auch ein inhibitorischer Effekt auf die Cyclin-abhängige Kinase 5 beschrieben. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass die erhöhten Kalziumtransienten unter der Behandlung mit R-Roscovitine durch eine direkte Bindung an die Cav2 Kalziumkanäle verursacht werden und nicht durch eine Cdk5 Blockade. Dafür spricht die schnelle und reversible Wirkung von R-Roscovitine, sowie die Aufhebung des R-Roscovitines Effekts bei gleichzeitiger Gabe des Cav2.2 Antagonisten ω-Conotoxin MVIIC. Der zweite Aspekt dieser Arbeit behandelt den Einfluss der neurotrophen Faktoren BDNF, CNTF und GDNF auf die Kalziumtransienten am Wachstumskegel wildtypischer Motoneurone. Der Vergleich der neurotrophen Faktoren zeigt, dass nur BDNF eine induzierende Wirkung auf spontane Kalziumtransienten am Wachstumskegel hat. Der letzte Abschnitt dieser Arbeit beschäftigt sich mit den Kalziumtransienten bei Motoneuronen aus dem Nmd2J (SMARD1) Mausmodell. Die SMARD1 gilt als eigenständige Form der spinalen Muskelatrophien mit unterschiedlicher Genetik und unterschiedlichen klinischen Merkmalen. Die Motoneurone weisen in Bezug auf die Kalziumtransienten keine Unterschiede zwischen Wildtyp und Nmd2J Mutante auf. Es ergibt sich somit kein Hinweis darauf, dass die Degeneration der Motoneurone bei der SMARD1 von einer Störung der Kalziumhomöostase im distalen axonalen Bereich ausgeht. / Spinal muscular atrophy (SMA) is a monogenetic disorder which is caused by the loss of the SMN Protein and leads to the degeneration of α-motoneurons. Within the first few months of life most patients are clinically affected with severe motor deficits of skeletal muscles and a diaphragm paralysis, going along with a reduced life expectancy depening on the degree of severity. With the aid of SMA mouse models it was shown that the loss of motoneurons with Smn deficiancy lies in an impaired neurotransmission of the motoneuron endplat leading to a differentiation disorder of the motoneurons. This differentiation disorder is strongly connected to a reduced cluster formation of voltage-dependent calcium channels in the distal axonal area. The impaired cluster formation in turn leads to a reduced frequency of spontanous calcium transients at the axon terminus, followed by an altered axonal elongation. In this work the following aspects concerning the enhancement and induction of spontanous calcium transients in mouse models of spinal muscular atrophy were adressed: 1) Does the external application of calcium channel agonists increase spontanous calcium transients in Smn-deficient motoneurons? 2) Is the neurotrophic factor Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) able to induce spontanous calcium transients in primary motoneurons? 3) Do primary motoneurons of a mouse model for spinal muscular atrophy with respiratory distress (SMARD1) show altered calcium transients as well? The results of my work show that the calcium channel agonist R-Roscovitine significantly increases the frequency of spontanous calcium transients in growth cones of Smn-deficient motoneurons which in turn has a regulatory effect on the differentiation of SMA motoneurons. Smn-deficient motoneurons treated with R-Roscovitine do not show any differences concerning axon length and growth cone size compared to control cells. Apart from the agonist effect on the calcium channels, R-Roscovitine also has an inhibitory impact on the cyclin-dependant kinase 5. The results of this work show that the positive effect on the calcium 12 transients under R-Roscovitine treatment is because R-Roscovitine binds directly to the calcium channel rather than due to an inhibition of cdk5. Arguments supporting this idea are the rapid and reversible channel kinetics of R-Roscovitine. Plus, the effect of R-Roscovitine can be repealed when the Cav2 channal antagonist ω-conotoxin is given simultaneously. In the second part of this work the influence of the neurotrophic factors BDNF, CNTF and GDNF on the calcium transients of wildtype motoneurons is investigated. Comparing these neurotrophic factors show that only BDNF has an impact on local calcium channel kinetics in growth cones of motoneurons. The last part of this work deals with the investigation of calcium transients in motoneurons from the Nmd2J (SMARD1) mouse model. SMARD1 is an independent form of spinal muscular atrophies with different genetical and clinical aspects compared to proximal SMA. The results of this work show that Nmd2J motoneurons do not show any difference in growth cone calcium influx between wildtype and mutant. Thus, there is no indication that the degeneration of SMARD1 motoneurons has any pathophysiological similarities with motoneurons from the proximal SMA mouse model. Hence, there are also no indications that the reason for motoneuron degeneration in SMARD1 lies in an impaired calcium homeostasis in the distal axonal area.

In this study I investigate the role of Schwann cell and axon-derived trophic signals as modifiers of axonal integrity and sprouting in motoneuron disease and diabetic neuropathy (DNP). The first part of this thesis focuses on the role of the Schwann-cell-derived ciliary neurotrophic factor (CNTF) for compensatory sprouting in a mouse model for mild spinal muscular atrophy (SMA). In the second part, the role of the insulin-like growth factor 1 (IGF-1) and its binding protein 5 (IGFBP-5) is examined in the peripheral nerves of patients with DNP and in two corresponding mouse models. Proximal SMA is caused by homozygous loss or mutation of the SMN1 gene on human chromosome 5. The different forms of SMA can be divided into four groups, depending on the levels of SMN protein produced from a second SMN gene (SMN2) and the severity of the disease. Patients with milder forms of the disease, type III and type IV SMA, normally reach adulthood and regularly show enlargement of motor units, signifying the reinnervation of denervated muscle fibers. However, the underlying mechanisms are not understood. Smn+/- mice, a model of type III/IV SMA, are phenotypically normal, but they reveal progressive loss of motor neurons and denervation of motor endplates starting at 4 weeks of age. The progressive loss of spinal motor neurons reaches 50% at 12 months but muscle strength is not reduced. The first evidence for axonal sprouting as a compensatory mechanism in these animals was the more than 2-fold increase in amplitude of single motor unit action potentials (SMUAP) in the gastrocnemius muscle. Confocal analysis confirmed pronounced sprouting of innervating motor axons. As CNTF is highly expressed in Schwann cells and known to be involved in sprouting, its role for this compensatory sprouting response and the maintenance of muscle strength in Smn+/- mice was investigated. Deletion of CNTF in this mouse model results in reduced sprouting and decline of muscle strength in Smn+/- Cntf-/- mice. These findings indicate that CNTF is necessary for a sprouting response and thus enhances the size of motor units in skeletal muscles of Smn+/- mice. DNP afflicting motor and sensory nerve fibers is a major complication in diabetes mellitus. The underlying cellular mechanisms of motor axon degeneration are poorly understood. IGFBP-5, an inhibitory binding protein for IGF-1, is highly upregulated in peripheral nerves in patients with DNP. The study investigates the pathogenic relevance of this finding in transgenic mice overexpressing IGFBP-5 in motor axons. These mice develop motor axonopathy similar to that seen in DNP. Motor axon degeneration is also observed in mice in which the IGF-1 receptor (IGF-1R) was conditionally depleted in motoneurons, indicating that reduced activity of IGF-1 on IGF-1R in motoneurons is responsible for the observed effect. These data provide evidence that elevated expression of IGFBP-5 in diabetic nerves reduces the availability of IGF-1 for IGF-1R on motor axons leading to progressive neurodegeneration, and thus offers novel treatment strategies. / In dieser Arbeit habe ich die Rolle der neurotrophen Faktoren Ciliary neurotrophic factor (CNTF) und Insulin-like-growth factor 1 (IGF-1), die in Schwannzellen gebildet werden, als Modulatoren der axonalen Integrität bei einer degenerativen Motoneuronenerkrankung und bei diabetischer Neuropathie (DNP) untersucht. Im ersten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, dass CNTF für ein kompensatorisches Sprouting von motorischen Axonen in einem Mausmodell für spinale Muskelatrophie (SMA) verantwortlich ist. Im zweiten Teil wird die Rolle von IGF-1 und dessen Bindeprotein, IGFBP-5, in Axonen motorischer Nerven bei Patienten mit DNP und zwei korrespondieren Mausmodellen gezeigt. Die proximale SMA wird durch einen homozygoten Verlust oder Mutation des SMN1 Gens auf dem Chromosom 5 verursacht. Bei der spinalen Muskelatrophie unterscheidet man verschiedene Schweregrade, abhängig von der Menge an SMN Protein, das vom zweiten SMN Gen (SMN2) produziert werden kann. Patienten mit einer milderen Form von SMA (Typ III und IV) erreichen das Erwachsenenalter und zeigen oft vergrößerte motorische Einheiten, im Gegensatz zu Patienten mit den schweren kindlichen Formen der Erkrankung. Smn+/- Mäuse, ein Modell für die leichten SMA Formen Typ II und IV, zeigen denervierte Endplatten bereits 4 Wochen nach der Geburt und einen fortschreitenden Verlust von Motoneuronen, der nach 12 Monaten mehr als 50% beträgt, ohne dass sich die Muskelkraft der Tiere verringert. Die Amplitude der Summenpotenziale von einzelnen motorischen Einheiten (Single motor unit action potential, SMUAP) im Wadenmuskel ist mehr als 2-fach erhöht. Konfokale Aufnahmen bestätigen ausgeprägtes Sprouting der noch innervierenden Axone. Smn+/- Mäuse ohne CNTF, das normalerweise stark in Schwann-Zellen exprimiert ist, zeigen reduziertes Sprouting und verringerte Muskelkraft. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass CNTF für das Sprouting und die vergrößerten motorischen Einheiten in Smn+/- Mäusen verantwortlich ist. Dieser kompensatorische Mechanismus könnte neue Behandlungs-möglichkeiten für Motoneuronerkrankungen eröffnen. Die Diabetische Neuropathie (DNP), eine der Hauptkomplikationen bei Diabetes Mellitus, betrifft sowohl motorische als auch sensorische Nervenfasern. Die zugrunde liegenden zellulären Mechanismen, die zur Degeneration motorischer Axone in Spätstadien der Erkrankung führen, sind größtenteils noch ungeklärt. IGFBP-5, ein IGF-1 hemmendes Bindeprotein, ist in peripheren Nervbiopsien von DNP Patienten stark überexprimiert. Diese potenzielle pathogene Relevanz wurde bei IGFBP-5 überexprimierenden transgenen Mäusen untersucht. Diese Mäuse entwickeln ähnlich wie die DNP Patienten eine motorische Axonopathie. Diese Axondegeneration zeigen auch Mäuse, bei denen der IGF-1 Rezeptor (IGF-1R) neuronenspezifisch ausgeschaltet wurde. Das bedeutet, dass reduzierte Wirkung von IGF-1 am IGF-1R auf Axonen von Motoneuronen für die beobachtete Axonopathie verantwortlich ist. Zusammenfassend zeigen diese Daten, dass erhöhtes IGFBP-5 in diabetischen Nerven die Verfügbarkeit von IGF-1 für den IGF-1R reduziert und zu progressiver Neurodegeneration führt. Diese Erkenntnis könnte neue Behandlungsstrategien für Patienten mit DNP eröffnen.

In highly polarized neurons, endoplasmic reticulum (ER) forms a dynamic and continuous network in axons that plays important roles in lipid synthesis, Ca2+ homeostasis and the maintenance of synapses. However, the mechanisms underlying the regulation of axonal ER dynamics and its function in regulation of local translation still remain elusive. In the course of my thesis, I investigated the fast dynamic movements of ER and ribosomes in the growth cone of wildtype motoneurons as well as motoneurons from a mouse model of Spinal Muscular Atrophy (SMA), in response to Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) stimulation. Live cell imaging data show that ER extends into axonal growth cone filopodia along actin filaments and disruption of actin cytoskeleton by cytochalasin D treatment impairs the dynamic movement of ER in the axonal filopodia. In contrast to filopodia, ER movements in the growth cone core seem to depend on coordinated actions of the actin and microtubule cytoskeleton. Myosin VI is especially required for ER movements into filopodia and drebrin A mediates actin/microtubule coordinated ER dynamics. Furthermore, we found that BDNF/TrkB signaling induces assembly of 80S ribosomes in growth cones on a time scale of seconds. Activated ribosomes relocate to the presynaptic ER and undergo local translation. These findings describe the dynamic interaction between ER and ribosomes during local translation and identify a novel potential function for the presynaptic ER in intra-axonal synthesis of transmembrane proteins such as the α-1β subunit of N-type Ca2+ channels in motoneurons. In addition, we demonstrate that in Smn-deficient motoneurons, ER dynamic movements are impaired in axonal growth cones that seems to be due to impaired actin cytoskeleton. Interestingly, ribosomes fail to undergo rapid structural changes in Smn-deficient growth cones and do not associate to ER in response to BDNF. Thus, aberrant ER dynamics and ribosome response to extracellular stimuli could affect axonal growth and presynaptic function and maintenance, thereby contributing to the pathology of SMA. / Das Endoplasmatische Retikulum (ER) bildet ein dynamisches und kontinuierliches Netzwerk in Axonen von stark polarisierten Neuronen und spielt dabei eine wichtige Rolle in der Lipidsynthese, dem Ca2+ Homöostase und der Aufrechterhaltung von Synapsen. Allerding sind die Mechanismen, die der Regulierung der axonalen ER-Dynamik und seiner Funktion bei der dynamischen Regulierung der lokalen Translation zugrunde liegen, nicht vollständig aufgeklärt. Im Rahmen meiner Dissertation habe ich die schnellen dynamischen Bewegungen des ERs und Ribosomen in Wachstumskegeln von Wildtyp- und Smn-defizienten Motoneuronen als Reaktion auf einen kurzen Puls von Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) untersucht. Daten der Bildgebung lebender Zellen zeigen, dass sich das ER in axonalen Filopodien des Wachstumskegels entlang von Aktin-Filamenten ausbreitet. Die Beeinträchtigung des Aktin-Zytoskeletts mittels Cytochalasin D Behandlung führt zu einer Einschränkung der dynamischen Bewegung des ERs in den axonalen Filopodien. Im Gegensatz zu den Filopodien scheinen die Bewegungen des ERs in Wachstumskegeln von einem koordinierten Zusammenspiel des Aktin- und Mikrotubuli- Zytoskeletts zu beruhen. Myosin VI ist insbesondere für die ER-Bewegungen in Filopodien erforderlich, während Drebrin A die Aktin/Mikrotubuli koordinierte ER-Dynamik vermittelt. Darüber hinaus zeigte sich, dass das BDNF/TrkB Signal die Bildung von 80S-Ribosomen in Wachstumskegeln in Sekundenschnelle auslöst. Aktivierte Ribosomen verlagern sich in das präsynaptische ER und vollziehen eine lokale Translation. Diese Ergebnisse beschreiben die dynamische Interaktion zwischen ER und Ribosomen während der lokalen Translation und zeigen eine neuartige potentielle Funktion des präsynaptischen ER bei der intra-axonalen Synthese von Transmembranproteinen wie die α-1β Untereinheit der N-Typ Ca2+ Kanäle in Motoneuronen auf. Darüber hinaus zeigen wir, dass in Smn-defizienten Motoneuronen die dynamischen ER-Bewegungen in axonalen Wachstumskegeln beeinträchtigt sind, was mit einer gestörten Polymerisation von Aktinfilamenten zusammenzuhängen scheint. Interessanterweise erfahren Ribosomen in Smn-defizienten Wachstumskegeln keine schnellen strukturellen Veränderungen und assoziieren nicht mit dem ER als Reaktion auf BDNF. Somit könnten eine abweichende ER-Dynamik und die Reaktion der Ribosomen auf extrazelluläre Reize das axonale Wachstum und die präsynaptische Funktion und Aufrechterhaltung beeinträchtigen und damit zur Pathologie von SMA beitragen.

Spinal muscular atrophy (SMA) is a genetic pediatric condition that affects lower motoneurons leading to their degeneration and muscle weakness. It is caused by homozygous loss or mutations in the Survival Motor Neuron 1 (SMN1) gene; however, the pathomechanism leading to motoneuron degeneration is not fully resolved. Cultured embryonic SMA motoneurons display axon elongation and differentiation defects accompanied by collapsed growth cones with a disturbed actin cytoskeleton. Intriguingly, motoneurons cultured from mice deficient for the Tropomyosin-kinase receptor B (TrkB), exhibit similar pathological features. Thus, the question arises whether SMA motoneurons suffer from defective Brain-derived neurotrophic factor (BDNF)/TrkB signaling and whether there is a link to the disturbed actin cytoskeleton. In the recent years, modifier genes such as Plastin 3 (PLS3) were shown to beneficially interfere with SMA pathology. Nevertheless, the mechanism of how the actin-bundler PLS3 counteracts SMN deficiency is not well understood. In this study, we investigated TrkB localization and its activation in cultured SMA motoneurons and neuromuscular junctions (NMJs). While TrkB levels are only mildly affected locally in axon terminals, BDNF-mediated TrkB phosphorylation was massively disturbed. The activity-dependent TrkB translocation to the cell surface and its activation via BDNF were shown to be Pls3-dependent processes, that can be abolished by knockdown of Pls3. In contrast, PLS3 overexpression in SMA motoneurons rescued the defects on morphological and functional level. In particular, the relocation of TrkB to the cell surface after BDNF-induced internalization is disturbed in SMA, which is based on an actin-dependent TrkB translocation defect from intracellular stores. Lastly, AAV9-mediated PLS3 overexpression in vivo in neonatal SMA mice provided further evidence for the capacity of PLS3 to modulate actin dynamics necessary for accurate BDNF/TrkB signaling. In conclusion, we provide a novel role for PLS3 in mediating proper alignment of transmembrane proteins as prerequisite for their appropriate functioning. Hence, PLS3 is required for a key process indispensable for the development and function of motoneurons even beyond the context of SMA. / Die spinale Muskelatrophie (SMA) ist eine Erkrankung der unteren Motoneurone, die zu deren Degeneration und Muskelschwund führt. Ausgelöst wird sie durch Verlust oder Mutation des Survival Motor Neuron 1 Gens. Kultivierte embryonale Motoneurone von SMA Mäusen zeigen eine veränderte zelluläre Differenzierung, sowie kollabierte Wachstumskegel und ein gestörtes Aktin Zytoskelett. Interessanterweise zeigen Motoneurone mit einem Verlust des Tropomyosinrezeptorkinase B (TrkB) die gleichen zellulären Dysregulationen. Daher stellte sich die Frage, ob SMA Motoneurone eine Störung der Brain-derived neurotrophic factor (BDNF)/TrkB Signalkaskade entwickeln, die auf einem gestörten Aktin Zytoskelett beruht. Studien der letzten Jahre haben gezeigt, dass modifizierende Gene wie Plastin 3 (PLS3) eine schützende Wirkung auf die SMA Pathophysiologie haben. Allerdings ist der genaue Mechanismus, inwieweit PLS3 F-Aktin-gesteuerte Prozesse reguliert nicht gut verstanden. In dieser Studie haben wir die Lokalisierung und Aktivierbarkeit von TrkB in Motoneuronen und Endplatten von SMA Mäusen untersucht. Obwohl die Lokalisierung von TrkB nur wenig verändert ist, war die Aktivierung von TrkB via BDNF in den Axonterminalen stark beeinträchtigt. Außerdem stellten sich die aktivitätsabhängige TrkB Translokation zur Plasmamembran, als auch dessen BNDF-induzierte Phosphorylierung als Pls3-abhängige Prozesse heraus, die durch Pls3 Knockdown inhibiert werden konnten. Im Gegensatz dazu, bewirkt die PLS3 Überexpression in SMA Motoneuronen eine Wiederherstellung der morphologischen und funktionellen Defekte. Vor allem die gestörte Re-Lokalisierung von TrkB an die Zellmembran nach BDNF-Stimulation, welches auf einer defekten Translokation aus intrazellulären Speichern basiert, konnte durch PLS3 Überexpression verbessert wird. Des Weiteren brachte die Viren-basierte PLS3 Überexpression in SMA Mäusen weitere Beweise für die Fähigkeit von PLS3, die Aktin Dynamik zu regulieren. Zusammenfassend zeigen die Daten eine neue Rolle von PLS3 für die korrekte Anordnung von Transmembranproteinen, als Grundvoraussetzung für deren Funktionalität. Somit wird PLS3 für Schlüsselprozesse benötigt, die für die Entwicklung und Funktion von Motoneuronen, auch über den Kontext von SMA hinaus, unverzichtbar sind.

Die Spinalen Muskelatrophie (SMA) ist eine neurodegenerative Krankheit, die durch einen Mangel an Survival Motor Neuron (SMN) Protein verursacht wird. Die vorliegende Dissertation vergleicht drei SMA-Mausmodelle, um festzustellen, ob sich die Pathologien und die zeitliche Abfolge gleichen. Das SMN-Delta7-Modell zeigt umfassende Defekte im motorischen System, einschließlich der Degeneration von Motoneuronen, sowie der Denervierung von spinalen exzitatorischen Synapsen und neuromuskulären Endplatten. Im Gegensatz dazu weist das Taiwanese Modell milde Motoneuron-Pathologien, aber einen frühen Verlust zentraler Synapsen auf. Beim intermediären Smn2B/- Modell treten starke Pathologien in zentralen exzitatorischen Synapsen und Neuromuskulären Endplatten auf, gefolgt von einem späten Absterben der Motoneurone, das p53-abhängig ist. Diese Ereignisse korrelieren mit einer SMN-abhängigen Störung der Splicing-Regulation bestimmter mRNAs. Die Studie liefert eine Wissensgrundlage für zukünftige Untersuchungen und identifiziert die zentrale exzitatorische Synaptopathie als Schlüsselmerkmal der motorischen Pathologie bei SMA.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis .................................................................................................. III Abkürzungsverzeichnis.................................................................................................IV 1 Bibliographische Zusammenfassung............................................................... 1 2 Einführung ......................................................................................................... 2 2.1 Der sensomotorische Schaltkreis im Rückenmark .................................... 2 2.2 Grundlagen der spinalen Muskelatrophie (SMA)....................................... 6 2.3 Mechanismen der Motoneurondegeneration in SMA ................................ 9 2.4 Die Rolle peripherer und zentraler Synapsen in SMA…………………….11 3 Ziele der Arbeit................................................................................................. 16 4 Publikationsmanuskript .................................................................................. 17 5 Zusammenfassung .......................................................................................... 45 6 Literaturverzeichnis………………………………………………………………….50 7 Anlagen ............................................................................................................ 55 7.1 Supplemental Material ............................................................................. 55 7.2 Erklärung über den wissenschaftlichen Beitrag des Promovenden zur Publikation................................................................................................ 66 7.3 Selbstständigkeitserklärung ..................................................................... 67 7.4 Lebenslauf................................................................................................ 68 7.5 Publikationen............................................................................................ 70 7.6 Danksagung ............................................................................................. 71