Insulin-like growth factor-1 (IGF-1) is essential for oligodendrocyte (OL) development, promoting their survival, proliferation and differentiation. Furthermore, IGF-1 null mutant mice have a decrease in CNS myelination and in the number of OL progenitors (OLPs). IGF-1 interacts with the Type I IGF receptor to activate two main downstream signalling pathways, the PI3K/Akt and the Ras-Raf-MEK/ERK cascades, which mediate survival or proliferation of OLPs. The objective of this study is to elucidate the transduction pathways involved in IGF-I-stimulated protein synthesis, important for growth and differentiation of OLs. In other cellular systems, the PI3K/Akt pathway is involved in protein translation. mTOR and the p70 S6 kinase are downstream effectors that phosphorylate translation initiation factors (e.g. eIF-4E) and their regulators (e.g. 4E-BP1). OLPs were obtained from primary cultures and were treated with IGF-1 with or without inhibitors LY294002 or wortmannin (PI3K), rapamycin (mTOR), Akt III or IV, an adenovirus with a dominant negative form of Akt or PD98059 (ERK). Protein synthesis was assessed by metabolic labeling with [35S]-methionine, and protein phosphorylation by Western blotting. Results from the former showed that IGF-1 stimulates protein synthesis in a dose-dependent manner. Moreover, IGF-1 increases protein synthesis in OLPs through PI3K, mTOR, Akt and ERK activation. Concordantly, Western blot analysis reveals that IGF-1 stimulates phosphorylation of Akt, mTOR, ERK, S6 and 4E-BP 1. Activation of S6 and inactivation of 4E-BP1 occur through phosphorylation and are required for protein synthesis to take place. These events are dependent on the upstream activation of PI3K, Akt and mTOR.

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Glial cells represent the most abundant cell population in the central nervous system (CNS), and yet, have historically been thought of as merely support cells for neurons. Over the past few decades, however, the number of identified roles that glial cells play in the CNS has expanded at an exponential rate, revealing new and exciting functions in neuron-glial communication. At synapses, astrocytes are now recognized as part of a "tripartite" complex with pre- and postsynaptic structures and can modulate synaptic transmission and plasticity. Accumulating evidence has also revealed new roles for oligodendrocytes in regulating axon diameter and integrity, and ion channel clustering. Despite our knowledge of the physiological connections between neurons and glia, relatively little is known about the morphological interplay of these cells during development and in the mature brain. The results presented in this thesis reveal the extent and time-course of rapid remodelling of astrocytes and oligodendrocytes in close proximity to dendritic spines and axons respectively. These findings provide further evidence that glia play an important role in regulating the structural plasticity of the brain. The methodology developed also provides a powerful system for the study of neuron-glial structural dynamics and may contribute to the development of novel therapeutic strategies for diseases affecting the central nervous system.

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In der Entwicklung des peripheren Nervensystems formen Schwannzellen eine Myelinscheide um Axone mit einem Durchmesser von mehr als 1 μm durch die Bildung multipler kompakter Membranschichten. Voraussetzung einer optimalen Nervenleitgeschwindigkeit ist dabei ein physiologisches Verhältnis der Dicke der Myelinscheide zu dem jeweiligen Axondurchmesser. Eine zentrale Rolle spielt dabei der axonale EGF-like growth factor NRG1 Typ III, der ErbB2/3- Rezeptoren der Schwannzelle bindet. Der PI3K-AKT-Signalweg ist ein bekannter intrazellulärer Effektor des ErbB2/3-Rezeptors und wurde bereits mit dem Prozess der Myelinisierung in Verbindung gebracht. Um die spezifische Funktion des PI3K-AKT-Signalwegs in Schwannzellen zu erforschen, generierten wir mit Hilfe des Cre/LoxP-Systems Mausmutanten, die eine zellspezifische Inaktivierung des Gens Phosphatase and Tensin Homolog (Pten) in myelinisierenden Gliazellen aufweisen (Pten-Mutanten). Der Verlust der Lipidphosphatase PTEN führte zu einer Anreicherung ihres Substrates, des second messenger Phosphatidyl-(3,4,5)-Trisphosphat (PIP3), und damit zu einer gesteigerten Aktivität des PI3K-AKT-Signalwegs in den Schwannzellen der Pten-Mutanten. Wir beobachteten in den Pten-Mutanten eine ektopische Myelinisierung von unmyelinisierten C- Faser-Axonen sowie eine Hypermyelinisierung von Axonen bis 2 μm Durchmesser. Bei Axonen über 2 μm Durchmesser kam es zu Myelinausfaltungen und fokalen Hypermyelinisierungen (Tomacula) anliegend an Regionen des unkompakten Myelins (Paranodien und Schmidt- Lantermann-Inzisuren). Weiterhin bildeten die mutanten Remak-Schwannzellen unkompakte Membranwicklungen um nicht-myelinisierte C-Faser-Axone und um Kollagenfaserbündel aus („Remak-Myelin“). Sowohl in den Regionen unkompakten Myelins als auch in Remak- Schwannzellen konnte eine erhöhte Aktivität des PI3K-AKT-Signalwegs nachgewiesen werden. Vermutlich setzt die Anreicherung von PIP3 mit Überaktivierung des PI3K-AKT-Signalwegs in den mutanten Gliazellen einen zellautonomen Prozess der Umwicklung von Axonen in Gang. Die zusätzliche Bildung von „Remak-Myelin“ um Kollagenfasern, die keine Membranoberfläche besitzen, weist darauf hin, dass dieser Prozess nicht von einer bidirektionalen axo-glialen Kommunikation abzuhängen scheint. Die beobachteten Tomacula und Myelinausfaltungen zeigten Ähnlichkeiten mit Mausmodellen für hereditäre Neuropathien des Menschen, wie HNPP und CMT4B. Wir vermuten, dass PTEN im unkompakten Myelin unkontrolliertes Membranwachstum verhindert und dass eine gestörte Balance von Phosphoinositiden einen Pathomechanismus von tomaculösen Neuropathien darstellt. Somit identifizieren wir den PI3K-AKT-Signalweg als ein mögliches Ziel zukünftiger Therapiekonzepte für hereditäre Neuropathien des Menschen.