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Regeneration im peripheren und zentralen Nervensystem nach Verletzung und Applikation von Glykomimetika - Studie in Mus musculus
No full textIn adult mammals, regeneration after injury of the central nervous system is hindered by the abundance of molecules inhibiting axonal growth which severely restrict functional recovery. In contrast to the central nervous system, peripheral nerves regenerate after injury and this ability is attributed to the growth-permissive environment provided by Schwann cells and their basal lamina. Despite this regenerative potential, however, functional recovery is often limited.
Here we pursued to promote regeneration in two models of nervous system injuries in mice, femoral nerve transection and spinal cord compression, using peptides which functionally mimic polysialic acid (PSA) and human natural killer antigen-1 (HNK-1) glycan, carbohydrate epitopes on cell recognition molecules known to promote neurite outgrowth in vitro.
In the femoral nerve injury paradigm, functional HNK-1 or PSA mimicking peptides or a control peptide were applied in a polyethylene tube used to surgically reconnect the severed stumps of the femoral nerve before it bifurcates into the motor and sensory branches. Using video-based motion analysis to monitor motor recovery over a 3-month post-operative period, we observed a better functional outcome in the HNK-1 and PSA mimetic-treated than in control mice receiving a control peptide or phosphate buffered saline. Retrograde tracing of regenerated motoneurons and morphometric analyses showed that accuracy of reinnervation, motoneuron survival and motoneuron soma size were enhanced with the HNK-1 mimetic treatment but not with the PSA mimetic. However, the PSA mimetic enhances remyelination of the regenerated axons distal to the injury site, indicating that effects on Schwann cells in the denervated nerve may underlie the improved motor recovery. In line with this notion was the observation that the PSA mimetic enhanced the elongation of Schwann cell processes and Schwann cell proliferation in vitro, when compared with the control peptide. Moreover, Schwann cell proliferation in vivo was enhanced in both motor and sensory branches of the femoral nerve by application of the PSA mimetic. These effects were likely mediated by NCAM through its interaction with the fibroblast growth factor receptor (FGFR) since they were not observed when the PSA mimetic was applied to NCAM-deficient Schwann cells, and since application of two different FGFR inhibitors reduced process elongation from Schwann cells in vitro.
In the spinal cord injury paradigm, subdural infusions were performed with an osmotic pump over a two-week time period after low thoracic compression injury in young adult C57BL/6J mice. When applied immediately after injury, the PSA mimetic and the combination of PSA and HNK-1 mimetics, but not the HNK-1 mimetic alone, improved functional recovery as assessed by locomotor rating and video-based motion analysis over a 6-week observation period. Better outcome in PSA mimetic treated mice was associated with increased, as compared with control mice, number of cholinergic terminals on lumbar motoneurons, higher numbers of glutamatergic terminals and monaminergic axons in the lumbar spinal cord, and increased degree of axonal myelination proximal to the injury site. Scar formation, extent of de- and re-myelination and numbers of lumbar motoneurons were not affected by the PSA or HNK-1 mimetic treatment. In contrast to immediate post-traumatic application, the PSA mimetic treatment was ineffective when initiated 3 weeks after spinal cord injury. Our results suggest that PSA and HNK-1 mimetic peptides can be efficient therapeutic tools to promote motor recovery after peripheral and central nervous systems injuries.In adulten Säugtieren wird die Regeneration nach Verletzung des zentralen Nervensystems durch das Vorhandensein von Molekülen, die das Auswachsen von Axonen inhibieren, stark eingeschränkt. Im Gegensatz zum zentralen Nervensystem ist das periphere Nervensystem in der Lage, nach Verletzung zu regenerieren. Diese Fähigkeit wird auf die wachstumsfördernden Eigenschaften der Umgebung zurückgeführt, die von den Schwannzellen und ihrer Basallamina bereitgestellt werden. Trotz dieses regenerativen Potentials des peripheren Nervensystems ist die funktionelle Regeneration meist unvollständig.
In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Modelle zur Untersuchung der Regeneration des Nervensystems herangezogen: 1.) die Verletzung des Femoralnervs und 2.) die Rückenmarksläsion.
Nach der Verletzung des Femoralnervs oder des Rückenmarks wurden an der Läsionsstelle lokal Peptide eingesetzt, die funktionell Polysialinsäure (PSA) und das „human natural killer cell antigen 1“ (HNK-1) mimikrieren. Hierbei handelt es sich um Kohlenhydrat-Epitope auf Zelladhäsionsmolekülen, welche das Neuritenwachstum in vitro stimulieren.
In Experimenten zur Regeneration des Femoralnervs wurde entweder funktionelles HNK-1 Peptid, PSA mimikrierendes Peptid oder ein Kontrollpeptid in ein Polyethylene-Röhrchen appliziert, welches die beiden Stümpfen des zuvor verletzten Femoralnervs verbindet. Die Verletzung des Femoralnervs erfolgte vor der Verzweigung des Nervs in den motorischen und sensorischen Ast. Es wurden auf Video-Aufzeichnungen basierende Bewegungsstudien an den operierten Mäusen durchgeführt, mit deren Hilfe die Regeneration der Tiere anhand ihrer motorischen Fähigkeiten über einen Zeitraum von 3 Monaten post-operativ untersucht werden konnte. Diese Analysen zeigten, dass Mäuse, denen das HNK-1 und das PSA Mimetikum verabreicht wurde, wesentlich besser regenerierten als solche, die das Kontrollpeptid oder gepufferte Salzlösung erhielten. Retrograde Färbung der regenerierten Motoneurone und deren morphometrische Analysen zeigten, dass in der mit HNK-1 Mimetikum behandelten Gruppe im Vergleich zum PSA Mimetikum die korrekte Reinnervierung verbessert ist, das Überleben der Motoneurone erhöht ist und die Somata von Motoneuronen vergrößert sind. Obwohl das PSA-Mimetikum keinen Effekt auf die korrekte Reinnervierung hatte, wurde durch das PSA-Mimetikum die Remyelinisierung der regenerierten Axone distal zur Verletzung deutlich verbessert. Dies weist darauf hin, dass PSA einen Einfluß auf die Remyelinisierung durch Schwannzellen im durchtrennten Nerv hat. Diese Annahme konnte durch die Beobachtung gestützt werden, dass das PSA-Mimetikum verglichen mit dem Kontroll-Peptid das Auswachsen von Schwannzell-Fortsätzen und die Schwannzell-Proliferation in vitro verstärkt. Darüber hinaus war die Schwannzell-Proliferation auch in vivo sowohl im motorischen als auch im sensorischen Teil des Femoralnervs durch das PSA-Mimetikum erhöht. Diese Effekte könnten möglicherweise durch das neurale Zelladhäsionsmolekül (NCAM) und seine Interaktion mit dem Fibroblasten-Wachstumsfaktor-Rezeptor (FGFR) vermittelt werden, da die Effekte ausblieben, wenn NCAM-defiziente Schwannzellen mit dem PSA Mimetikum behandelt werden. Darüber hinaus verminderte die Zugabe von FGFR-Inhibitoren in vitro die Elongation der Schwannzell-Fortsätze.
In den Experimenten zur Verletzung des Rückenmarks wurde das Rückenmark junger adulter C57BL/6J Mäuse auf der Höhe der unteren Brustwirbel durch Kompression verletzt und Peptide über einen Zeitraum von zwei Wochen mittels einer osmotischen Pumpe subdural zugeführt. Über einen Zeitraum von 6 Wochen wurde die funktionelle Regeneration mittels Beobachtungen des Laufverhaltens und über auf Video-Aufnahmen basierenden Bewegungsanalysen determiniert. Wenn das PSA Mimetikum oder die Kombination aus PSA und HNK-1 Mimetikum direkt nach der Verletzung appliziert wurden, konnten diese einen positiven Effekt auf die funktionelle Regeneration ausüben. Das HNK-1 Mimetikum alleine vermittelte diesen Effekt nicht. Verglichen mit Kontrolltieren wiesen PSA Peptid behandelte Tiere eine erhöhte Anzahl von cholinergen Endungen der lumbalen Motoneurone, eine erhöhte Anzahl der glutamatergen Endungen und der monoaminergen Axone im lumbalen Rückenmark, sowie eine erhöhte Rate axonaler Myelinisierung proximal zur Verletzungsstelle auf. Die Narbenbildung, das Ausmaß an De- und Remyelinisierung und die Anzahl der lumbalen Motoneurone wurden durch die Zugabe des PSA oder HNK-1 Mimetikums nicht beeinflusst. Im Gegensatz zur Applikation direkt nach der Verletzung, hatte das PSA Mimetikum drei Wochen nach der Rückenmarksverletzung keinen Effekt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das PSA und das HNK-1 Mimetikum ein effizientes therapeutisches Hilfsmittel sind, welches positiv auf die funktionelle Regeneration nach Verletzung des peripheren als auch des zentralen Nervensystems wirkt
Comparison of AAV2 and AAV5 in gene transfer in the injured spinal cord of mice
No full textRecombinant adeno-associated virus (AAV) vectors are promising tools for gene therapy. In spinal cord injury where extensive damage occurs, vectors with high diffusion and transduction abilities are required. We compared the diffusion capacity and transduction efficiency of AAV2 and AAV5 vectors using a mouse spinal cord injury model. Our study demonstrates that AAV5 is more effective than AAV2 for delivering genes into the injured spinal cord tissue. AAV5 diffused 6.9mm from the injection site, transduced with an approximately two-fold increase in total cell number and yielded an approximately three-fold increase in gene expression in comparison with AAV2. NeuroReport 22:565-569 (C) 2011 Wolters Kluwer Health vertical bar Lippincott Williams & Wilkins.SUMC [LB0103]; NNSF China [81072622
Das neurale Zellerkennungsmolekül CHL1 : Regulation der Aktivität des trimeren Proteinkomplexes Csp/Hsc70/Sgt und des synaptischen Vesikelrecyclings in Mus musculus (Linnaeus, 1758)
No full textIn this study the regulation of chaperone activity by the cell recognition molecule CHL1 (close homologue of L1) is analyzed. Previously it was shown that CHL1 is able to interact via its intracellular domain with the chaperone Hsc70 (70 kDa heat shock cognate protein), which is constitutively expressed in the cell. Here we demonstrate that CHL1 via its intracellular domain modulates the chaperone function in synapses. CHL1 regulates the refolding activity of synaptic chaperons Hsc70, Csp (cysteine string protein) and alphaSgt (small glutamine-rich tetratricopeptide repeat-containing protein) via the direct interactions with these proteins. In vitro protein binding assay and the analysis of the complexes that are present on synaptic vesicles and synaptic plasma membranes show the predominant formation of CHL1/Hsc70/alphaSgt and CHL1/Csp complexes. We found that the substrate for CHL1/Hsc70/alphaSgt chaperone complex is Snap25 (synaptosomal associated protein of 25 kDa), whereas CHL1/Csp complex refolds Vamp2 (vesicle-associated membrane protein). Snap25, Vamp2 together with Syntaxin1 assemble the SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor) complex that participates in the fusion of synaptic vesicles with the presynaptic plasma membrane during exocytosis. In CHL1 deficient synaptosomes we observed reduced ability of the components of the SNARE machinery to re-associate. On the other hand, stressful conditions, such as exposure to heat or prolonged synaptic activity, result in a pronounced degradation of SNARE complex components in the brain of CHL1 deficient mice. The defect of SNARE machinery formation following the prolonged stimulation of synaptic activity leads to the inhibition of the synaptic vesicle recycling in CHL1 deficient neurons. In other words, CHL1 deficient neurons are not able to sustain prolonged synaptic activity. We also show that CHL1 is involved in synaptic vesicle recycling by the modulation of clathrin-uncoating function of Hsc70. The obtained data suggest that cell recognition molecule CHL1 participates in two steps of synaptic vesicle recycling: in exocytosis as a modulator of chaperons that refold SNARE proteins and in endocytosis by the regulation of uncoating of clathrin-coated synaptic vesicles
Funktionale Rolle des polysalyierten neuralen Zellerkennungsmoleküls für Furcht-Konditionierung bei Mäusen (Mus musculus L., 1758)
No full textConsiderable progress has been made in uncovering the numerous functions of the neural cell adhesion molecule (NCAM) and its associated carbohydrate, polysialic acid (PSA), in ontogenetic development and in synaptic plasticity, learning and memory in the adult. Perturbation of NCAM functions by ablation of NCAM or by disruption of NCAM-mediated interactions in vitro or in vivo impaired synaptic plasticity in the hippocampus, fear conditioning, induced amnesia in a passive avoidance task, and caused spatial memory deficits. The mechanisms underlying action of NCAM and PSA at different phases of learning and memory consolidation are, however, unknown.
To investigate the contributions of PSA versus the extracellular domain of the NCAM glycoprotein backbone on learning we acutely injected NCAM, PSA-NCAM and PSA into the dorsal hippocampus of wild-type mice at different phases of auditory fear conditioning. As an internal control that injections into the hippocampus would not have unspecific effects on hippocampus-independent forms of learning, we used a fear conditioning paradigm in which an animal was simultaneously subjected to hippocampus-independent learning of tone and hippocampus-dependent learning of context. Only PSA, either attached to NCAM or alone, but not NCAM, injected before training, impaired formation of hippocampus-dependent contextual memory, as measured by the freezing response. Consolidation of contextual memory was affected only by PSA-NCAM when injected during its late, but not its early phases. None of the tested compounds disturbed extrahippocampal cued memory. Mice lacking the polysialyltransferase (ST8SialV/PST) responsible for attachment of PSA to NCAM in adulthood showed a mild deficit only in hippocampal contextual learning, when compared to NCAM deficient mice that were disturbed in both contextual and cued memories. Formation of contextual memory in NCAM deficient mice could be restored by pre-training injection of PSA-NCAM into the hippocampus, suggesting that a mechanism for PSA-NCAM function in learning is not mediated by modulation of NCAM-NCAM homophilic interactions but rather through its heterophilic partners. These in vivo results are supported by in vitro data showing the inhibitory effects of PSA on long-term potentiation (LTP) in the CA1 region of the hippocampus in wild-type mice and restorative effects of PSA on impaired CA1 LTP in NCAM deficient hippocampal slices. In summary, our data support the view that polysialylated NCAM is involved in both formation and late consolidation of contextual memory, and supports synaptic plasticity.
By using tamoxifen-inducible Cre-recombinase LoxP system - which allowed us to induce temporally controlled ablation of the NCAM gene in the brain of adult mice – we show that NCAM is required for formation and/or retention of hippocampus-dependent contextual memory, whereas amygdala-contingent cued memory is less dependent on inducible ablation of NCAM. These results are intriguing since constitutive prenatal NCAM ablation causes both hippocampal- and amygdala-dependent deficits in fear conditioning, and thus raise the question whether NCAM is critical for development of the amygdala, or the levels of NCAM expression in the amygdala after inducible ablation remain sufficiently high to mediate its functions.
Strikingly, severe cognitive deficits in learning and memory of contextual and cued information in NCAM deficient mice could be rescued by facilitation of activity of the NMDA subtype glutamate receptors via systemic administration of D-cycloserine, as an agonist of the glycine site of these receptors. These results correspond to data from ongoing in vitro studies demonstrating a rescue of CA1 LTP in NCAM or PSA-deficient hippocampal slices by D-cycloserine. Thus, we suggest that a loss of NCAM and/or PSA leads to a deficit in NMDA receptor function during induction of synaptic plasticity and fear learning. Since lower concentrations of D-cycloserine were sufficient to restore levels of hippocampus-dependent contextual memory as compared to amygdala-based cued fear memory, there may be interesting differences in regulation of NMDA receptors by PSA-NCAM in the hippocampus and amygdala. The significance of these findings is underscored by studies uncovering a genetic link between schizophrenia and mutations in the polysialyltransferase ST8SiaII/STX, and a deficit in PSA and overproduction of soluble NCAM in schizophrenic brains.In der Erforschung der verschiedenen Funktionen des neuralen Zellerkennungsmoleküls (NCAM) und des assoziierten Carbohydrats Polysialylsäure (PSA) wurden große Fortschritte in den Bereichen ontogenetische Entwicklung, synaptische Plastizität sowie Lernen und Gedächtnis im erwachsenen Tier gemacht. Die Störung der Funktionen von NCAM durch die Entfernung des Moleküls oder die Unterbrechung von NCAM-vermittelten Interaktionen in vitro oder in vivo beeinträchtigt die synaptische Plastizität im Hippocampus und die Furcht-Konditionierung, verursacht Amnesie in einer passiven Vermeidungsaufgabe und bewirkt Defizite im räumlichen Gedächtnis. Die Mechanismen, die den Aufgaben von NCAM und PSA in unterschiedlichen Phasen von Lernen und Gedächtniskonsolidierung unterliegen, sind allerdings noch weitgehend unbekannt.
Um die Beteiligung an Lernprozessen von PSA im Vergleich zur extrazellularen Domäne des NCAM-Glycoprotein-Rückgrats zu untersuchen, wurden NCAM, PSA-NCAM oder PSA in den dorsalen Bereich des Hippocampus’ von Wildtyp-Mäusen während verschiedener Phasen der auditorischen Furcht-Konditionierung injiziert. Als interne Kontrolle dafür, dass die Injektionen in den Hippocampus keine unspezifische Wirkung auf Hippocampus-unabhängige Formen von Lernen haben, wurde ein Paradigma für die Furcht-Konditionierung gewählt, in dem die Tiere gleichzeitig Hippocampus-unabhängigem Lernen eines Tons und Hippocampus-abhängigem Lernen eines Kontextes unterworfen waren. Injektion von PSA, allein oder an NCAM gebunden, vor dem Training verminderte die Bildung von Hippocampus-abhängigem Kontext-Gedächtnis, was anhand der Erstarrungsreaktion als Furchtantwort bestimmt wurde. Injektion von NCAM allein hatte keine Wirkung. Die Verfestigung des Kontext-Gedächtnisses wurde nur durch PSA-NCAM beeinträchtigt, wenn das Molekül während der späten Phasen der Konsolidierung injiziert wurde. Eine Injektion in frühen Phasen zeigte keinen Effekt. Keine der getesteten Substanzen hatte eine Auswirkung auf extra-hippocampales Hinweisreiz-gelenktes Gedächtnis. Mäuse, denen die Polysialyltransferase (ST8SialV/PST), die für die Anlagerung von PSA an NCAM im erwachsenen Tier verantwortlich ist, fehlt, zeigten nur ein leichtes Defizit im Hippocampus-abhängigen Kontext-Lernen. Im Vergleich waren NCAM-defiziente Mäuse sowohl im Kontext-Gedächtnis also auch in der Hinweisreiz-gelenkten Erinnerung beeinträchtigt. Die Fähigkeit zur Bildung von Kontext-Gedächtnis in NCAM-defizienten Mäusen konnte durch die Injektion von PSA-NCAM in den Hippocampus vor dem Training wiederhergestellt werden. Dies verdeutlicht, dass die Beteiligung von PSA-NCAM an Lernprozessen nicht auf der Modulation von NCAM-NCAM homophilen Interaktionen beruht, sondern eher durch seine heterophilen Inderaktionspartner erfolgt. Diese in vivo Ergebnisse wurden von in vitro Daten unterstützt, die inhibitorische Effekte von PSA auf die Langzeitpotenzierung (LTP) in der CA1-Region des Hippocampus’ in Wildtyp-Mäusen zeigten. Außerdem hatte PSA positive Effekte auf die gestörte Langzeitpotenzierung in der CA1-Region von Hippocampus-Schnitten NCAM-defizienter Mäuse. Zusammenfassend unterstützen die Ergebnisse dieser Arbeit die Ansicht, dass PSA-NCAM sowohl an der Bildung als auch an der späten Phase der Konsolidierung des Kontext-Gedächtnisses beteiligt ist und synaptische Plastizität verstärkt.
Unter Verwendung des Tamoxifen-induzierbaren LoxP-Systems, das eine zeitlich kontrollierte Zerstörung des NCAM-Gens im Gehirn erwachsener Mäuse erlaubt, konnte gezeigt werden, dass NCAM notwendig ist für die Bildung und/oder die Aufrechterhaltung von Hippocampus-abhängigem Kontext-Gedächtnis. Währenddessen ist Amygdala-bedingte Hinweisreiz-gelenkte Erinnerung weniger abhängig von der induzierten Zerstörung von NCAM. Diese Ergebnisse sind interessant, da das konstitutive pränatale Fehlen von NCAM sowohl Hippocampus- als auch Amygdala-abhängige Defizite in der Furcht-Konditionierung mit sich bringt, und damit die Frage entsteht, ob NCAM für die Entwicklung der Amygdala notwendig ist. Eine andere mögliche Erklärung wäre, dass nach induzierter Zerstörung von NCAM die Konzentration des intakten Moleküls in der Amygdala ausreichend bleibt, um ihre Funktionen zu gewährleisten.
Faszinierend ist, dass die Verstärkung der Aktivität von NMDA-Glutamatrezeptoren mit Hilfe von D-Cycloserin, einem Agonisten der Glycin-Bindedomäne dieser Rezeptoren, schwere kognitive Defizite im Bereich von Lernen und Gedächtnis bezüglich Kontext und Hinweisreiz-gelenkter Informationen in NCAM-defizienten Mäusen ausgleichen konnte. Diese Ergebnisse decken sich mit ersten Daten aus im Moment durchgeführten in vitro Studien, die zeigen, dass in Hippocampus-Schnitten von NCAM- oder PSA-defizienten Mäusen LTP in der CA1-Region mit Hilfe von D-Cycloserin wiederhergestellt werden kann. Daher nehmen wir an, dass der Verlust von NCAM und/oder PSA zu einer beeinträchtigten Funktion der NMDA-Rezeptoren während der Induktion synaptischer Plastizität und Furcht-Konditionierung führt. Da zur Wiederherstellung des Hippocampus-abhängigen Kontext-Gedächtnisses geringere Konzentrationen von D-Cycloserin ausreichten als für die Wiederherstellung der Amygdala-abhängigen Hinweisreiz-bedingten Erinnerung notwendig waren, lässt sich auf Unterschiede in der Regulation von NMDA-Rezeptoren durch PSA-NCAM in Hippocampus und Amygdala schließen. Die Bedeutung dieser Ergebnisse wird betont durch Studien, die eine genetische Verbindung zwischen Schizophrenie und Mutationen der Polysialyltransferase ST8SialI/STX offenbarten sowie ein Defizit in der Produktion von PSA und eine Überproduktion von löslichem NCAM in Gehirnen, die Schizophrenie aufweisen, zeigten
Synaptische Übertragung und Plastizität in den wichtigsten excitatorischen Synapsen der L1 konditionellen und CHL1 konstitutiven Knockoutmäuse (Mus musculus L., 1758)
No full textCell adhesion molecules are implicated in cell interactions during nervous system development and they are also recognized as important mediators of synaptic plasticity in the hippocampal formation. Among cell adhesion molecules, L1 has received a lot of attention since it was discovered as a transmembrane glycoprotein in the mouse. Mouse mutants constitutively deficient in L1 (L1-/-) show severe abnormalities in the development of the central and peripheral nervous systems. Conditional mutant (L1fy+) with ablation of L1 in the adult brain does not show any of the abnormalities in gross morphology described for the L1-/- mutant. Another interesting cell adhesion molecule is CHL1, which is a newly identified member of the L1 family. It is expressed in subpopulations of developing neurons in the central and peripheral nervous systems and persists at low levels in the mature brain in areas of high plasticity. The CALL gene, the human homologue of the mouse CHL1 gene, is linked to mental retardation and schizophrenia.
The aim of our study was to identify excitatory synapses in the hippocampus and dentate gyrus, in which basal synaptic transmission and/or synaptic plasticity depend on expression of cell adhesion molecules L1 and CHL1, and to investigate the underlying mechanisms.
To reach this aim, I have taken an advantage of availability of L1 conditional (L1fy+) and CHL1 constitutive knockout mice and performed extracellular recordings in acute hippocampal slices prepared from these animals and corresponding wild-type control mice to reveal genotype-specific changes in physiological parameters (amplitude of field excitatory postsynaptic potentials or currents, paired-pulse facilitation, post-tetanic or short-term potentiation, and LTP). Field potentials and synaptic currents have been recorded from synapses formed by (1) Schaffer collateral projections to the CA1 field; (2) lateral perforant path (LPP) and (3) medial perforant path (MPP) projections to the dentate gyrus; (4) direct perforant path projections to the CA3 and (5) CA1 fields; and (6) associational/commissural and (7) mossy fiber projections to the CA3 field. In addition, to investigate the influence of L1 molecule on L-type voltage-dependent Ca2+ channels, patch-clamp recordings of Ca2+ channel-transfected CHO cells have been used.
Analysis of basal synaptic transmission and synaptic plasticity at above described major hippocampal excitatory synapses of L1 deficient mice and corresponding wild-type control animals revealed that LTP is specifically impaired in synapses formed by perforant path fibers on apical distal dendrites of CA1 and CA3 pyramidal neurons in L1fy+ mice. In light of impaired associative memory in the L1 mutant, our findings provide first evidence for importance of CA1 and CA3 perforant path projections for this kind of memory.
Investigation of mechanisms underlying these abnormalities in LTP at the perforant path synapses in the CA3 region, by checking cholinergic modulation of perforant path and associational/commissural synapses in the CA3 field, uncovered that this system works normally in L1 conditional mutant animals. Examination of the role of NMDA receptors and L-type Ca2+ channels in induction and maintenance of LTP at perforant path projections to the CA3 field showed, that both are involved in this process and abnormal function of L-type Ca2+ channels may account for the difference in LTP between wild-type and knockout mice. Though pharmacological manipulations with L-type Ca2+ channels abolished differences between genotypes, the patch-clamp recording of CHO cells could not reveal direct influences of extracellular L1 on one subtype of neuronal VDCCs, suggesting that either other subtypes are affected or the influence of L1 on L-type Ca2+ channels is indirect.
Analysis of CHL1 constitutive knockout mice revealed that deficiency in CHL1 molecule has a different impact on the synaptic plasticity at CA3-CA1 connections in animals of different ages, being normal in 2-month-old CHL1-deficient mice and reduced in 1-month-old and 9-month-old mutants. Investigation of mechanisms underlying impaired short- and long-term potentiation in 1 month-old mice revealed that increased activation of inhibitory interneurons might be responsible for this phenomenon. Apart from that, 2-month-old CHL1 deficient mice exhibit elevated levels of basal synaptic transmission in the dentate gyrus, which correlate with reduced behavioral response of these mutants to novel environmental stimuli.
In summary, these results provide a new insight into synaptic functions of two cell adhesion molecules, demonstrating a synapse type- and Ca2+ channel-dependent impairment of synaptic plasticity in L1 deficient mice, and age- and GABAergic transmission-dependent deficit in synaptic plasticity in CHL1 deficient mutants.Verschiedene Zelladhäsionsmoleküle sind an Interaktionen zwischen Zellen während der Entwicklung des Nervensystems beteiligt und dienen außerdem als wichtige Mediatoren synaptischer Plastizität in der Hippocampalen Formation. Unter diesen Zelladhäsionsmolekülen hat L1, ein in der Maus entdecktes membrandurchspannendes Glycoprotein, viel Aufmerksamkeit erlangt. Konstitutive L1-Mausmutanten (L1-/-) zeigen starke Abnormalitäten in der Entwicklung von zentralem und peripherem Nervensystem. Konditionelle Mutanten (L1fy+), bei denen L1 nur im erwachsenen Gehirn fehlt, zeigen keine der morphologischen Abnormalitäten, die für die L-/- -Mutante nachgewiesen wurden.
CHL1 ist ein anderes interessantes Mitglied der L1-Familie, das in Neuron-Subpopulationen des sich entwickelnden zentralen und peripheren Nervensystem exprimiert wird, aber auch in geringen Konzentrationen in Bereichen des erwachsenen Gehirns, die hohe synaptische Plastizität aufweisen, nachweisbar ist. Eine Mutation des CALL-Gens, des CHL1-Gen-Homologs im Menschen, führt zu mentaler Retardation und Schizophrenie.
Das Ziel dieser Arbeit war, excitatorische Synapsen im Hippocampus und Gyrus Dentatus von Mäusen zu identifizieren, in denen die basale synaptische Transmission und/oder synaptische Plastizität auf der Expression der Zelladhäsionsmoleküle L1 und CHL1 beruht, und eventuell zugrunde liegende Mechanismen zu untersuchen.
Zu diesem Zweck wurden extrazelluläre Messungen an hippocampalen Schnitten von L1fy+ - und CHL1-/- -Mäusen sowie von entsprechenden Wildtyp-Kontrollen durchgeführt, die Genotyp-spezifische Änderungen in physiologischen Parametern (Amplitude der excitatorischen Feld-Potentiale oder –Ströme, Bahnung, post-tetanische Potenzierung, LTP) aufzeigen sollten. Feldpotentiale und synaptische Ströme wurden an Synapsen von (1) Schaffer-Collateralen in der CA1-Region, (2) Lateral Perforant Path (LPP) und (3) Medial Perforant Path (MPP) im Gyrus Dentatus, direkten Perforant Path-Projektionen in der (4) CA3-Region oder (5) CA1-Region sowie von (6) Associational/Commissural-Projektionen und (7) Moosfasern in der CA3-Region gemessen. Zusätzlich wurde mit Hilfe von Patch-Clamp-Messungen an transfizierten CHO-Zellen der Einfluss von L1 auf die Eigenschaften eines neuronalen L-Typ Calcium-Kanals untersucht.
Analyse der Messungen zur Transmission und Plastizität an den oben erwähnten Synapsen in L1fy+ -/CHL1-/- - und entsprechenden Wildtyp-Mäusen hat ergeben, dass in konditionellen L1-Mutanten die Langzeitpotenzierung von Synapsen des Perforant Path an apical distalen Dendriten von Pyramidenzellen in der CA1- und CA3-Region des Hippocampus vermindert ist. Diese Ergebnisse geben erste Hinweise auf die Bedeutung dieser Projektionen für das autoassoziative Gedächtnis, das in L1-Mutanten gestört ist.
Pharmakologische Untersuchungen zu den Mechanismen, die der Störung des LTP zugrunde liegen könnten, ergaben, dass die cholinerge Modulation der Synapsen von Perforant Path und Associational/Commissural-Projektionen in der CA3-Region in L1fy+ -Mäusen normal ist. Allerdings zeigte sich, dass sowohl NMDA-Rezeptoren als auch L-Typ Calcium-Kanäle an der Induktion und der Aufrechterhaltung des LTP an Synapsen des Perforant Path in der CA3-Region beteiligt sind, und dass eine beeinträchtigte Funktion der L-Typ Calcium-Kanäle für den Unterschied in der Langzeitpotenzierung zwischen Wildtypen und Mutanten verantwortlich sein könnte. In Patch-Clamp-Messungen an transfizierten CHO-Zellen konnte ein direkter Einfluss von extrazellulärem L1 auf einen Subtyp neuronaler L-Typ Calcium-Kanäle nicht nachgewiesen werden, was darauf hinweist, dass entweder andere Subtypen beteiligt sind oder die Interaktion von L1 mit L-Typ Calcium-Kanälen indirekt erfolgt.
Analyse der Messungen an konstitutiven CHL1-Mutanten zeigte, dass das Fehlen von CHL1 unterschiedliche Auswirkungen auf die synaptische Plastizität von CA3-CA1-Verbindungen, abhängig von Alter der Tiere, hat. In einem Monat und in neun Monate alten Mäusen ist sie reduziert, während sie in zwei Monate alten Tieren normal erscheint. Untersuchungen zu den Mechanismen, die der verminderten Kurz- und Langzeitpotenzierung in einem Monat alten CHL1-/- -Mäusen zugrunde liegen könnten, zeigten eine erhöhte Aktivität inhibitorischer Interneurone. In zwei Monate alten CHL1-/- -Mutanten war die basale synaptische Transmission im Gyrus Dentatus erhöht, was mit der verminderten Reaktion dieser Mäuse auf eine neue Umgebung korreliert.
Zusammenfassend geben die Ergebnisse dieser Arbeit neue Einblicke in die synaptischen Funktionen zweier Zelladhäsionsmoleküle: Sie demonstrieren erstens eine L-Typ Calcium-Kanal-abhängige Verminderung der Plastizität spezifischer Synapsen in L1-defizienten Mäusen und zweitens eine altersabhängige Verminderung der synaptischen Plastizität in CHL1 defizienten Mäusen, die mit den Eigenschaften der GABAergen Transmission in den jeweiligen Altersstufen zusammenhängt
Morphogenic signaling in neurons via neurotransmitter receptors and small GTPases
No full textSeveral neurotransmitters including serotonin and glutamate have been shown to be involved in many aspects of neural development, such as neurite outgrowth, regulation of neuronal morphology, growth cone motility and dendritic spine shape and density, in addition to their well-established role in neuronal communication. This review focuses on recent advances in our understanding of the molecular mechanisms underlying neurotransmitter-induced changes in neuronal morphology. In the first part of the review, we introduce the roles of small GTPases of the Rho family in morphogenic signaling in neurons and discuss signaling pathways, which may link serotonin, operating as a soluble guidance factor, and the Rho GTPase machinery, controlling neuronal morphology and motility. In the second part of the review, we focus on glutamate-induced neuroplasticity and discuss the evidence on involvement of Rho and Ras GTPases in functional and structural synaptic plasticity triggered by the activation of glutamate receptors
Overexpression of BDNF increases excitability of the lumbar spinal network and leads to robust early locomotor recovery in completely spinalized rats.
No full textStrategies to induce recovery from lesions of the spinal cord have not fully resulted in clinical applications. This is a consequence of a number of impediments that axons encounter when trying to regrow beyond the lesion site, and that intraspinal rearrangements are subjected to. In the present study we evaluated (1) the possibility to improve locomotor recovery after complete transection of the spinal cord by means of an adeno-associated (AAV) viral vector expressing the neurotrophin brain-derived neurotrophic factor (BDNF) in lumbar spinal neurons caudal to the lesion site and (2) how the spinal cord transection and BDNF treatment affected neurotransmission in the segments caudal to the lesion site. BDNF overexpression resulted in clear increases in expression levels of molecules involved in glutamatergic (VGluT2) and GABAergic (GABA, GAD65, GAD67) neurotransmission in parallel with a reduction of the potassium-chloride co-transporter (KCC2) which contributes to an inhibitory neurotransmission. BDNF treated animals showed significant improvements in assisted locomotor performance, and performed locomotor movements with body weight support and plantar foot placement on a moving treadmill. These positive effects of BDNF local overexpression were detectable as early as two weeks after spinal cord transection and viral vector application and lasted for at least 7 weeks. Gradually increasing frequencies of clonic movements at the end of the experiment attenuated the quality of treadmill walking. These data indicate that BDNF has the potential to enhance the functionality of isolated lumbar circuits, but also that BDNF levels have to be tightly controlled to prevent hyperexcitability
Adeno-associated virus-mediated LI expression promotes functional recovery after spinal cord injury
No full textPaucity of permissive molecules and abundance of inhibitory molecules in the injured spinal cord of adult mammals prevent axons from successful regeneration and, thus, contribute to the failure of functional recovery. Using an adeno-associated viral (AAV) vector, we expressed the regeneration-promoting cell adhesion molecule L1 in both neurons and glia in the lesioned spinal cord of adult mice. Exogenous L1, detectable already 1 week after thoracic spinal cord compression and immediate vector injection, was expressed at high levels up to 5 weeks, the longest time-period studied. Dissemination of L1-transduced cells throughout the spinal cord was wide, spanning over more than 10 mm rostral and 10 mm caudal to the lesion scar. L1 was not detectable in the fibronectin-positive lesion core. L1 overexpression led to improved stepping abilities and muscle coordination during ground locomotion over a 5-week observation period. Superior functional improvement was associated with enhanced reinnervation of the lumbar spinal cord by 5-HT axons. Corticospinal tract axons did not regrow beyond the lesion scar but extended distally into closer proximity to the injury site in AAV-L1-treated compared with control mice. The expression of the neurite outgrowth-inhibitory chondroitin sulphate proteoglycan NG2 was decreased in AAV-L1-treated spinal cords, along with reduction of the reactive astroglial marker GFAP. In vitro experiments confirmed that L1 inhibits astrocyte proliferation, migration, process extension and GFAP expression. Analyses of intracellular signalling indicated that exogenous L1 activates diverse cascades in neurons and glia. Thus, AAV-mediated L1 overexpression appears to be a potent means to favourably modify the local environment in the injured spinal cord and promote regeneration. Our study demonstrates a clinically feasible approach of promising potential
Embryonic stem cell-derived L1 overexpressing neural aggregates enhance recovery after spinal cord injury in mice.
No full textAn obstacle to early stem cell transplantation into the acutely injured spinal cord is poor survival of transplanted cells. Transplantation of embryonic stem cells as substrate adherent embryonic stem cell-derived neural aggregates (SENAs) consisting mainly of neurons and radial glial cells has been shown to enhance survival of grafted cells in the injured mouse brain. In the attempt to promote the beneficial function of these SENAs, murine embryonic stem cells constitutively overexpressing the neural cell adhesion molecule L1 which favors axonal growth and survival of grafted and imperiled cells in the inhibitory environment of the adult mammalian central nervous system were differentiated into SENAs and transplanted into the spinal cord three days after compression lesion. Mice transplanted with L1 overexpressing SENAs showed improved locomotor function when compared to mice injected with wild-type SENAs. L1 overexpressing SENAs showed an increased number of surviving cells, enhanced neuronal differentiation and reduced glial differentiation after transplantation when compared to SENAs not engineered to overexpress L1. Furthermore, L1 overexpressing SENAs rescued imperiled host motoneurons and parvalbumin-positive interneurons and increased numbers of catecholaminergic nerve fibers distal to the lesion. In addition to encouraging the use of embryonic stem cells for early therapy after spinal cord injury L1 overexpression in the microenvironment of the lesioned spinal cord is a novel finding in its functions that would make it more attractive for pre-clinical studies in spinal cord regeneration and most likely other diseases of the nervous system
The Saga of Melitta Urbancic
No full textABSTRACT: Very few Jews fleeing from the Holocaust in Central Europe between 1937
and 1945 managed to reach the safety of the shores of Iceland, which was not a major
player in this catastrophic event, but was also not a non-participant. Melitta Urbancic,
a Viennese Jewish author and actress, was one of these very few. Under dramatic circumstances,
she was allowed to settle in Iceland in late 1938, where she remained for the rest
of her long life. As we now know, when she died in Reykjavík in 1984 she left behind
a voluminous oeuvre of German-language poetry, a selection of which appeared in 2014
in the bilingual Icelandic-German book Frá hjara veraldar. Vom Rand der Welt, edited by Gauti Kristmannsson, which contains the only works of Melitta Urbancic
that are in print in any language. This review article presents the adventurous saga
of Melitta Urbancic, includes some of her poems in German and in English translation,
and looks at the special quality of her relationship to Iceland, her writing style,
and the content of the poetry as it changed from that of a traumatized refugee in
a very foreign environment to someone who gradually found a new home
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