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Der Einfluss von R-Roscovitine und Valproat auf das Wachstums- und präsynaptische Differenzierungsverhalten SMN-defizienter Motoneurone / The Effects of R-Roscovitine and Valproic Acid on Axonal Growth and Presynaptic Differentiation of Smn-deficient Motoneurons

Die spinale Muskelatrophie ist eine monogenetische Erkrankung, die bereits im Kindesalter aufgrund von Motoneurondegeneration zu Muskelatrophie führt und nicht selten einen tödlichen Verlauf nimmt. Ursache der Erkrankung ist ein Mangel an SMN-Protein. Der hierfür verantwortliche Verlust des SMN1-Gens kann durch das SMN2-Gen aufgrund eines gestörten Spleißprozesses am Exon 7 nicht kompensiert werden. Neben Aufgaben in der RNA-Prozessierung wird das SMN-Protein für den axonalen Transport von Ribonucleinpartikeln in Motoneuronen benötigt, was bei der SMA zu pathologischem Wachstum, Differenzierung und Funktion der Motoraxone führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden kultivierte Motoneurone aus einem Mausmodell für die SMA Typ I (Genotyp Smn-/-;SMN2) mit zwei unterschiedlichen Substanzen behandelt und deren Wirkungen auf das präsynaptische Differenzierungsverhalten der Motoneurone verglichen: R-Roscovitine, ein Agonist/Modulator spannungsabhängiger N-Typ- und P/Q-Typ-Kalziumkanäle, welcher zudem eine CDK-inhibierende Wirkung besitzt, sowie Valproat, ein HDAC-Inhibitor, der eine stimulierende Wirkung auf die SMN-Transkription hat. Es zeigte sich, dass R-Roscovitine in der Lage ist, das pathologische Wachstums- und präsynaptische Differenzierungsverhalten der Smn-defizienten Motoneurone zu normalisieren, ohne hierbei Einfluss auf die erniedrigte Menge an Smn-Protein zu nehmen. Die Behandlung mit Valproat beeinflusst hingegen weder die Menge an Smn-Protein, noch die pathologische Differenzierung der Wachstumskegel Smn-defizienter Motoneurone. Erklären lassen sich diese Effekte in erster Linie durch den Agonismus an spannungsabhängigen Kalziumkanälen durch R-Roscovitine. Durch vermehrten Kalziumeinstrom kommt es zur Normalisierung von Struktur und Funktion der Wachstumskegel. Ein CDK-vermittelter Effekt scheint unwahrscheinlich. Obgleich die genauen Vorgänge noch nicht verstanden sind, zeigen diese Ergebnisse, dass sich Smn-defiziente Motoneurone normal entwickeln können, wenn die hierfür erforderlichen kalziumabhängigen präsynaptischen Differenzierungssignale korrekt ausgelöst werden. Bei weiterer Erforschung sind Therapeutika denkbar, die in Zukunft die überwiegend genetisch orientierten Therapieansätze zur Hochregulation der SMN-Expression bei SMA-Patienten über einen von der Genetik unabhängigen Wirkmechanismus unterstützen können. / Spinal muscular atrophy (SMA) is a monogenetic disease mostly of children and young adults. The affected show motoneuron degeneration, paralysis and muscular atrophy and the disease is frequently leading to death. SMA is caused by the loss of the SMN1 (survival motoneuron1) gene and thereby deficiency of the SMN protein. A second SMN gene in humans (SMN2) contains a mutation in Exon 7, why most of its transcripts are alternatively spliced and therefore truncated. Thus, the SMN2 gene is not able to compensate a SMN1 loss. The SMN protein is necessary for the assembly of snRNP particles, which are essential for RNA processing. In motoneurons, the SMN protein is additionally important for the axonal transport of mRNA. Therefore, cultured motoneurons from Smn-deficient mouse embryos show alterations in axonal growth as well as in size, differentiation and function of their growth cones. Especially low density of ß-actin and N-type (Cav2.2) voltage-gated calcium channels (VGCCs) and thereby reduced frequency of spontaneous Ca2+ transients have been described. These transients normally work as signals for differentiation on the growth cones.
This work demonstrates that application of R-Roscovitine, an inhibitor of Cyclin dependent kinases (CDKs) 2 and 5 as well as a modifier/opener of VGCCs (N-type and P/Q-type), enhances VGCC accumulation and levels of ß-actin protein in growth cones and ameliorates defects of growth cone size and axon elongation in Smn-deficient motoneurons. These compensatory effects are primarily mediated by the enhanced VGCC clustering and hereby resuscitation of the presynaptic excitability; the low level of SMN protein in these cells is not risen by R-Roscovitine. Valproic acid, a well-known anti-epileptic drug and inhibitor of the histon-deacetylase (HDAC), has been shown to rise the level of SMN protein in different cell types by unspecific upregulation of transcription. Here, treatment of Smn-deficient cultured motoneurons with Valproate had no effects neither on the level of SMN protein nor on the VGCC accumulation in growth cones. In contrast to R-Roscovitine, Valproate inhibits VGCCs. These results underline the importancy of Ca2+ homeostasis for proper motoneuron differentiation and function. These mechanisms may offer an alternative approach for SMA treatment besides the existing gene-based strategy.

Identiferoai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:17169
Date January 2018
CreatorsDrexl, Hans Henning
Source SetsUniversity of Würzburg
Languagedeu
Detected LanguageEnglish
Typedoctoralthesis, doc-type:doctoralThesis
Formatapplication/pdf
Rightshttps://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess

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