Cellular Plasticity within the Central Nervous System of Synucleinopathies
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Abstract
Cellular plasticity, the generation of new neurons and glia, persists up to adulthood in the mammalian adult central nervous system and is altered upon disease processes. In particular, the present thesis focusses on a subgroup of neurodegenerative diseases characterized by accumulation of the protein α-synuclein (α-syn). These synucleinopathies include Parkinson’s disease (PD) and multiple system atrophy (MSA), two related movement disorders presenting with severe neuronal loss. The aim of this thesis was to unravel the impact of α-syn on adult neuro- and oligodendrogenesis. To address the question of how α-syn influences neurogenesis, transgenic mice overexpressing human wild-type or mutant forms of α-syn under the control of different promoters were developed to mimic some of the underlying neuropathology of PD. One of the earliest neurological symptoms associated with PD is an olfactory deficit highlighting the importance of the olfactory bulb (OB). The generation of new cells was assessed in this neurogenic region using 5-bromo-2'-deoxyuridine (BrdU) to label newly generated cells in mice overexpressing human wild-type α-syn under the regulatable control (tet-off) of the calcium/calmodulin-dependent protein kinase IIα-promoter (CaMK). We observed a decrease in OB neurogenesis in transgenic animals compared to controls. After cessation of transgene expression we detected an increase in newly generated cells both in granular (GCL) and glomerular (GLOM) layers of the OB. This led to a rescue of newly generated neurons within the GLOM, but not in the GCL suggesting diverse effects of α-syn in both interneuronal layers of the OB. Glial differentiation did not account to the observed phenotype in the GCL, as no alterations in newly generated astrocytes or microglia were observed. Interestingly, BrdU+ particles detected within microglial cells were predominantly associated close to the cellular membrane and thus resembling phagocytosed nuclear fragments of BrdU+ cells. Additional to neurogenesis, cellular plasticity in the adult central nervous system also comprises oligodendrogenesis. The maturation from an undifferentiated platelet derived growth factor α receptor (PDGFRα)+ phenotype to mature myelin basic protein (MBP)+ producing oligodendrocytes is influenced by numerous signals. We hypothesize that α-syn present in glial cytoplasmic inclusions (GCI) within perifascicular and perineuronal oligodendrocytes in MSA affects adult oligodendrogenesis. Using BrdU in mice overexpressing human wild-type α-syn under the control of the MBP promoter, we detected an age-dependent increase of dividing cells within the striatum and the cortex, both non-neurogenic regions with an increased load of GCIs. The striatum, only, showed increased numbers of immature PDGFRα+ oligodendroglia suggesting an endogenous, region-specific delayed maturation. Phenotyping of BrdU+ cells resulted in immature oligodendroglia and microglia, without newly generated astroglia or neurons in all regions analyzed. Although we observed myelin loss within the corpus callosum, there was no loss of mature glutathione-S-transferase π (GSTπ)+ oligodendrocytes in this region or the adjacent striatum, however in cortical regions. To dissect underlying molecular mechanisms of intracellular α-syn, we generated an oligodendroglial cell line (CG4) stably expressing human wild-type α-syn. Here, intracellular α-syn delays the maturation of CG4 cells by a distinct upregulation of the transcription factors hairy enhancer of split-5 (Hes5) followed by a profound downregulation of myelin-gene regulatory factor (MRF) with low levels of MBP during differentiation. These findings implicate a delayed oligodendrogenesis mirrored by a stage-specific transcriptional control of α-syn during oligodendroglial differentiation in MSA and its models. Cellular plasticity in adult neuro- and oligodendrogenesis is influenced by α-syn during disease processes. The findings of this thesis might be subjected to future studies contributing to understand the clinical presentation of synucleinopathies and to develop new therapeutic approaches.
Abstract
Zelluläre Plastizität im zentralen Nervensystem bezeichnet den Prozess der Generierung neuer Neurone und Gliazellen, der bei Säugern bis ins Erwachsenenalter hinein anhält und im Verlauf verschiedener Krankheiten verändert sein kann. Die vorliegende Promotion beschäftigt sich vor allem mit einer speziellen Untergruppe von neurodegenerativen Erkrankungen, die durch die Akkumulation des Proteins α-Synuklein (α-syn) gekennzeichnet ist. Zu diesen sogenannten Synukleinopathien gehören das sporadische Parkinson Syndrom (Parkinson’s disease, PD) und die Multisystematrophie (MSA), zwei Bewegungserkrankungen mit schwerem neuronalen Zellverslust. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss von α-syn auf die adulte Neuro- und Oligodendrogenese zu untersuchen. Um den Einfluss von α-syn auf die adulte Neurogenese zu untersuchen, wurden transgene Mäuse, die humanes Wildtyp oder mutierte Formen von α-syn unter der Kontrolle verschiedener Promotern überexprimieren, generiert und die zugrundeliegende Neuropathologie von PD untersucht. Eines der ersten klinischen Symptome von PD ist eine Beeinträchtigung des Geruchssinns, was die Bedeutung des Bulbus olfaktorius (OB) beim Beginn dieser Erkrankung unterstreicht. Die Generierung neuer Zellen wurde mit Hilfe von 5-Brom-2-desoxyuridin (BrdU) in dieser neurogenen Region untersucht. Damit wurden sich neu gebildete Zellen in Mäusen markiert, die humanes Wildtyp α-syn unter der regulierbaren Kontrolle (tet-off) des Calcium/Calmodulin-abhängigen Proteinkinase IIα –Promoters überexprimieren. Wir beobachteten einen Abfall der Neurogenese im OB in transgenen Tieren gegenüber Kontrolltieren. Nach der Abschaltung des Transgens, stellten wir eine Vermehrung von neugebildeten Zellen in der granulären (granular cell layer, GCL) und glomerulären Zellschicht (glomerular cell layer, GLOM) des OB fest. In Folge dessen kam es zu einer erfolgreichen Wiederherstellung von neugenerierten Neuronen innerhalb der GLOM, aber nicht in der GCL. Des Weiteren wurde keine veränderte Differenzierung zu Astrozyten oder Mikroglia beobachtet, was dieses Phänomen auch als Ursache für den beobachteten Phänotyp in der GCL, nämlich die fehlende Wiederherstellung von neu generierten Neuronen nach Abschalten des Transgens, ausschließt. Interessanterweise wurden jedoch BrdU+ Partikel innerhalb von Mikrogliazellen gefunden, die häufig mit der Zellmembran assoziiert waren und daher phagozytierten nukleären Fragmenten BrdU+ Zellen darstellen können. Zelluläre Plastizität des adulten zentralen Nervensystems findet neben Neuronen auch bei Oligodendrozyten statt. Die Reifung von einem undifferenzierten platelet derived growth factor α receptor (PDGFRα)+ Phänotyp zu reifen myelin basic protein (MBP)+ produzierenden Oligodendrozyten wird vielseitig beeinflusst. Wir vermuten, dass auch α-syn, das bei der MSA in glialen zytoplasmatischen Einschlüssen (glial cytoplasmic inclusion, GCI) innerhalb von Oligodendrozyten vorkommt, die adulte Oligodendrogenese beeinflusst. Mittels BrdU-Injektionen in Mäuse, die humanes Wildtyp α-syn unter der Kontrolle des MBP-Promotors überexprimieren, beobachteten wir einen Alters-abhängigen Anstieg von sich teilenden Zellen innerhalb des Striatums und des Kortex. Diese beiden nicht-neurogenen Regionen zeichnen sich durch ihren hohen Gehalt an GCIs aus. Nur im Striatum stellten wir eine Erhöhung von unreifen PDGFRα+ Oligodendrozyten fest, was eine endogene, regionspezifische Verzögerung der Reifung vermuten lässt. Bei der Untersuchung des Phänotyps der BrdU+ Zellen fanden wir neugenerierte unreife Oligodendrozyten und Mikroglia, aber keine Astrozyten oder Neurone in allen untersuchten Regionen. Obwohl wir einen Myelinverlust innerhalb des Corpus Callosum beobachteten, gab es keinen Verlust an reifen Glutathione-S-Transferase π (GSTπ)+ Oligodendrozyten in dieser Region oder dem benachbarten Striatum, jedoch aber im Kortex. Um die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen von intrazellulärem α-syn zu analysieren, benutzten wir eine oligodendrogliale Zelllinie (CG4), die humanes Wildtyp α-syn stabil überexprimiert. Intrazelluläres α-syn verzögert die Reifung von CG4-Zellen durch eine Hochregulierung des Transkriptionsfaktors Hes 5 (factors hairy enhancer of split-5) und einer starken Herunterregulierung von MRF (myelin-gene regulatory factor) bei niedrigen MBP-Leveln während der Differenzierung. Diese Ergebnisse lassen auf eine verzögerte oligodendrogliale Differenzierung schließen, die sich in einer Stadiumsspezifischen Transkriptionskontrolle von α-syn während der oligodendroglialen Differenzierung bei MSA und ihren Modellen widerspiegelt.