Molecular mechanisms underlying spinal motor neuron diversification and differential vulnerability in vivo and in vitro

Liauchuk, Viktoryia; Marquardt, Till (Thesis advisor); Kampa, Björn M. (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die Steuerung von Bewegungen basiert auf einem strikt regulierten Zusammenspiel verschiedener Komponenten des neuromuskulären Systems. Die spinalen Motoneuronen übernehmen hierbei die Steuerung der Muskelfaserkontraktion. Diese Neuronen werden in Bezug auf ihre Funktion und die von ihnen innerviertem Muskelfasern in verschiedene Typen und Subtypen unterteilt. Hierbei verfügen die einzelnen funktionellen Motoneurontypen über distinkte morphologische und elektrophysiologische Eigenschaften. Diese wiederum basieren auf der Expression spezifischer molekularer Marker in den jeweiligen Subtypen. Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen den einzelnen Typen von Motoneuronen liegt in ihrer Anfälligkeit für neurodegenerative Erkrankungen. In dieser Arbeit wurden zwei wichtige Aspekte der Diversifikation von Motoneuronen mittels in vivo und in vitro Experimenten untersucht. Zum einen wurde TIMP3 als möglicher Marker für Motoneuronsubtypen analysiert, zum anderen wurden die Entwicklungsmechanismen und die Entwicklung und Diversifizierung von Motoneuronen aus murinen embryonalen Stammzellen auf molekularer und elektrophysiologischer Ebene untersucht. Im Rahmen des erstgenannten Projekts wurde mittels CRISPR/Cas9 in Kombination mit einer homologen Rekombination eine Timp3 Reportermauslinie generiert. Die Analyse adulter Tiere dieser Reporterlinie zeigte Expression von TIMP3 in gamma Motoneuronen, jedoch konnte keine Expression in alpha Motoneuronen nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu zeigte die Untersuchung von Tieren in frühen postnatalen Entwicklungsstadien eine Expression von TIMP3 sowohl in gamma als auch in alpha S Motoneuronen. Weitere Experimente zu den Effekten eines Verlusts der TIMP3 Expression in Motorneuronen wurden ebenfalls durchgeführt. Die bisherigen Ergebnisse dieser Analysen zeigten, dass die Abwesenheit von TIMP3 keinen Einfluss auf die Zellgröße individueller Motoneuronen oder auf den Anteil MMP9 positiver Motoneuronen an der Gesamtpopulation hat. Im Zuge des zweiten Projekts wurde die Diversität von in vitro aus murinen embryonalen Stammzellen differenzierten Motoneuronen untersucht. Durch Nachweis von spezifischen Markern konnte gezeigt werden, dass unter den verwendeten Kulturbedingungen Zellpopulationen mit einem Motoneuronanteil von über 90% entstanden. Weiterhin exprimieren die in vitro differenzierten Motoneuronen nicht nur typische postmitotische Motoneuronmarker wie Chat, Mnx1, Neun und Isl1, sie sind auch in der Lage cholinerge synaptische Verbindungen mit aus C2C12 Zellen differenzierten Myotuben zu bilden und weisen eine motoneuronähnliche elektrophysiologische Signatur wie z.B. repetitive Aktionspotenziale auf. Außerdem zeigten die aus embryonalen Stammzellen differenzierten Motoneuronen einen gewissen Grad an Diversität und es waren sowohl Zellen mit Merkmalen von alpha als auch von gamma Motoneuronen zu finden.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Neurobiologische Forschung [164310]