Die pmn-Maus dient als Modell für degenerative Motoneuronerkrankungen: Während heterozygote Mäuse klinisch unauffällig sind, entwickeln homozygote einige Anzeichen, wie man sie auch bei humanen Motoneuronerkrankungen findet. Ab der 2. postnatalen Woche weisen sie eine progrediente Schwäche der Hinterläufe auf. Innerhalb kurzer Zeit sind auch andere Muskelgruppen betroffen, was zwischen der 4. und 6. postnatalen Woche zum Tod durch Atemversagen führt. Verantwortlich für die Erkrankung der pmn-Mäuse ist eine Punktmutation im Tubulin-spezifischen Chaperon E (tbce) Gen, die zu einem Aminosäureaustausch an einer evolutionär konservierten Aminosäure im TBCE-Protein führt. TBCE wird ubiquitär exprimiert und spielt eine Rolle bei der Assemblierung der Mikrotubuli. Phänotypisch sind von der Mutation spezifisch Motoneurone betroffen. Nach der Herstellung und Charakterisierung eines Antiserums gegen TBCE war es möglich, nach Unterschieden zwischen pmn-mutierten und wildtypischen Motoneuronen hinsichtlich der Stabilität und der subzellulären Lokalisation des TBCE Proteins zu suchen. Western Blot Analysen mit Rückenmarkslysaten von vier Wochen alten pmn-Mäusen zeigen eine deutliche Reduktion der TBCE-Expression. Mittels Immunfluoreszenz waren in isolierten embryonalen Motoneuronen indes keine Unterschiede hinsichtlich der Expressionsstärke und der subzellulären Lokalisation festzustellen. Das TBCE-Protein wird überwiegend im Zellsoma exprimiert und befindet sich dort im Golgi-Apparat und an den Centrosomen, die als Generatoren der axonalen Mikrotubuli angesehen werden. Obwohl mittels Immunfluoreszenz zu diesem Zeitpunkt keine Unterschiede detektierbar sind, weisen die pmn-mutierten Motoneurone nach sieben Tagen in Kultur einige axonale Pathologien auf, wenn sie in Gegenwart des neurotrophen Faktors BDNF kultiviert werden: Das Längenwachstum der Axone ist deutlich reduziert und entlang der Axone finden sich zahlreiche axonale Schwellungen mit Proteinaggregaten. Elektronenmikroskopisch findet sich eine Reduktion der Mikrotubulianzahl im proximalen Axonabschnitt, während die medialen und distalen Teile eine unveränderte Anzahl an Mikrotubuli aufweisen. Parallel findet sich in allen Axonabschnitten der pmn-mutierten Motoneurone eine deutliche Zunahme an Neurofilamenten. Neben den morphologischen Veränderungen weisen die Motoneurone aus pmn-Mäusen zu diesem Zeitpunkt auch eine Störung im axonalen Transport der Mitochondrien auf, die in den Axonen saltatorisch und bidirektional entlang von Mikrotubuli transportiert werden, auf. So ist die Anzahl stationärer Mitochondrien in pmn-mutierten Motoneuronen signifikant erhöht, während die Anzahl an transportierten Mitochondrien und deren maximale Transportgeschwindigkeit reduziert ist. Die morphologischen Veränderungen und die Störungen im axonalen Transport können kompensiert werden, wenn die pmn-mutierten Motoneurone statt mit BDNF mit dem neurotrophen Faktor CNTF kultiviert werden. Die Effekte von CNTF auf das Längenwachstum der Axone ist STAT3 vermittelt, da pmn-mutierte Motoneurone mit einer STAT3-Defizienz keine Reaktion mehr auf die Gabe von CNTF zeigen. Da STAT3 direkt mit Stathmin interagieren kann und dessen destabilisierende Wirkung auf Mikrotubuli dadurch verhindert, wurde angenommen, dass die STAT3 vermittelten CNTF Effekte auf eine lokale Wirkung von STAT3 in Axonen zurückzuführen ist. Diese Hypothese wird dadurch gestützt, dass die Herunterregulation der Stathmin Expression in pmn-mutierten Motoneuronen den gleichen Effekt auf das Längenwachstum zeigt, wie eine CNTF Gabe während der Kultivierung. / Pmn-mice are used as a model for neurodegenerative motoneurondisease: Whereas heterozygous mice are clinically normal, homozygous mutant mice exhibit many features, which are also observed in human motoneuron disease. The pmn-mice develop normally until the second postnatal week. Then they show weakness of the hind limbs, which rapidly progresses. Within a short time, also other muscle groups are involved, ultimately leading to death of the animals in the 4th to 6th week after birth. The underlying gene defect was found as a point mutation in the tubulin-specific chaperon E (TBCE) gene, which leads to a single amino acid exchange at an evolutionary highly conserved amino acid in TBCE protein. TBCE is ubiquitously expressed and plays a role in microtubule assembly. However, motoneurons are specifically affected and seem to be more vulnerable. After generating an antiserum against TBCE, differences between motoneurons from pmn-mutant mice and control animals with regard to stability and subcellular localization of TBCE protein were analysed. Western blot analysis with lysates of spinal cord from 4 week old pmn-mice showed a reduction of TBCE protein expression. There were no differences in TBCE expression observed in immunocytochemistry with isolated embryonic motoneurons of pmn mice compared to wildtype mice: Neither the protein levels nor the subcellular distribution is altered. There is a strong TBCE immunoreactivity in cell soma of motoneurons, where TBCE is located in Golgi apparatus and at the centrosomes, where axonal microtubules are generated. Even there are no differences of TBCE expression at this time point, there are different axonal pathologies detectable: axon length of 7 days cultured motoneurons is significantly reduced and axonal swellings are visible when motoneurons are cultured with the neurotrophic factor BDNF. The number of microtubules is reduced in proximal parts of the axon and in parallel there is an increase of neurofilaments in all axonal parts, which was detectable by electron microscopy. Apart from the morphological changes in pmn-mutant motoneurons there is a disturbance of axonal transport of mitochondria, which are transported in axons in a saltatory and bidirectional manner along microtubules. In motoneurons from pmn-mice the number of stationary mitochondria is significantly increased and in parallel the number of transported mitochondria as well as their maximum velocity is reduced. Both, the morphological changes as well as the disturbance of axonal transport in pmn-mutant motoneurons can be rescued by treatment with the growth factor CNTF. The effects of CNTF on axonal outgrowth is mediated by STAT3, because rescue of CNTF to axon length is absent in pmn-mutant motoneurons lacking STAT3 expression. It is known that STAT3 can directly interact with stathmin, a regulator of microtubule dynamics. This interaction prevents the microtubule destabilizing activity of stahmin. So we assummed, that the STAT3 mediated effects of CNTF treatment are caused by local mechanisms in the axons. In deed, a shRNA downregulation of stathmin in pmn-mutated motoneurons cultured with BDNF has the same effects like treatment with CNTF.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:1998 |
| Date | January 2007 |
| Creators | Bender, Florian Lothar Paul |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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