Late-onset spinal motor neuronopathy- a new neuromuscular disease

The aim of this study was to clarify the clinical phenotype of late-onset spinal motor neuronopathy (LOSMoN), an adult-onset autosomal dominant lower motor neuron disorder identified first in two families in Eastern Finland, in order to clarify its genetic background. Motor neuron disorders (MNDs) are characterized by dysfunction and premature death of motor neurons in the brain and spinal cord. MNDs can manifest at any age of the human lifespan, ranging from pre- or neonatal forms such as spinal muscular atrophy type I (SMA I) to those preferentially affecting the older age groups exemplified by sporadic amyotrophic lateral sclerosis (ALS). With a combination of genetic linkage analysis and genome sequencing using DNA from a total of 55 affected members of 17 families and a whole genome scan, we were able to show that LOSMoN is caused by the c.197G>T p.G66V mutation in the gene CHCHD10. This study showed that LOSMoN has very characteristic features that help to differentiate it from other more malignant forms of motor neuron disease, such as ALS, which was erroneously diagnosed in many patients in our cohort. Lack of fibrillations in the first dorsal interosseus muscle on EMG and extensive grouping of non-atrophic type IIA/2A fibers on muscle biopsy were shown to be common findings in LOSMoN, but rare or absent in ALS patients. The results of this study will help clinicians recognize the characteristic phenotype of LOSMoN disease and thus improve their diagnostic accuracy, and will also allow physicians to provide adequate genetic counseling for patients.

Motoneuronitautiin liittyvä hengitysvajaus: hengitystoiminnan ja energia-aineenvaihdunnan mittaaminen

Tavoitteet: Tämän tutkimussarjan tavoitteena oli tutkia hengitystoiminnan sekä energia-aineen¬vaihdunnan muutoksia motoneuronitautia (amyotrofinen lateraaliskleroosi, ALS) sairastavilla potilailla. Erityisenä mielenkiinnon kohteena olivat kotihoitoon soveltuvan hengityslaitteen vai¬kutus elinajan ennusteeseen sekä hengitysvajauksen etenemistä kuvaavien keuhkotoimintakokei¬den arviointi ALS-potilailla, epäsuoran kalorimetrian mittaustarkkuus ja perusaineenvaihdunnan (PAV) suuruus kajoavaa hengityslaitetta käyttävillä ALS-potilailla. Aineisto ja menetelmät: Kajoamattoman hengityslaitteen käytön ja iän vaikutusta elinajan en¬nusteeseen arvioitiin 84:llä ja hengitystoiminnan muutoksia 42 ALS-potilaalla. Epäsuoran kalo¬rimetrian mittaustarkkuutta kajoamatonta hengityslaitetta käytettäessä arvioitiin hereillä olevilla 12 vapaaehtoisella mieshenkilöllä. PAV:n suuruutta arvioitiin viidellä kajoavaa hengityslaitetta käyttävällä ALS-potilaalla. Osatöistä kaksi ensimmäistä olivat luonteeltaan havainnoivia (retros¬pektiivisiä) ja kaksi viimeistä seurantatutkimuksia (prospektiivisia). Tulokset: Alle 65-vuotiailla ALS-potilailla ei havaittu eroa elinajan ennusteessa kajoamaton¬ta hengityslaitetta käyttävien ja käyttämättömien potilaiden välillä. Sen sijaan yli 65-vuotiail¬la ALS-potilailla elinajan ennuste piteni merkittävästi kajoamatonta hengityslaitetta käyttävillä potilailla (elinaika diagnoosin jälkeen 22 vs. 8 kk, Hazard Ratio = 0.25, 95 % luottamusväli 0.11 – 0.55, p <0.001). ALS-potilailla, joilla kajoamaton hengityslaite katsottiin tarpeelliseksi kuuden kuukauden kuluessa diagnoosihetkestä, hengitystiheys osoittautui diagnoosihetkellä mer-kittävästi kiihtyneeksi (21/min) ja rintakehän liike merkittävästi alentuneeksi (2.9 cm) verrattuna ALS-potilaisiin, joille kajoamaton hengityslaite katsottiin tarpeelliseksi myöhemmin (16/min ja 4.0 cm). Kajoamattoman hengityslaitehoidon aikana keskimääräinen mitattu PAV vapaaehtoisilla miehillä oli 1858 kcal/vrk kun PAV ilman hengityslaitetta oli 1852 kcal/vrk, p = 0.8. Kajoavaa hengityslaitehoitoa käyttävien viiden ALS-potilaan keskimääräinen PAV vastaavalla mittausase¬telmalla mitattaessa oli 1130 kcal/vrk, kun vastaava PAV laskettuna viidellä eri laskentakaavalla oli 1700 kcal/vrk, p < 0.001. Johtopäätökset: Yli 65-vuotiailla ALS-potilailla, jotka eivät sopeutuneet kajoamattomaan hen¬gityslaitehoitoon, oli nelinkertainen riski menehtyä aiemmin kuin kajoamattomaan hengityslai¬tehoitoon sopeutuneilla ALS-potilailla. Hengitystiheys osoittautui merkittävästi kiihtyneeksi ja rintakehän liike alentuneeksi ALS-potilailla, joille kajoamaton hengityslaitehoito katsottiin ai¬heelliseksi kuuden kuukauden kuluessa diagnoosihetkestä. Kajoamattoman hengityslaitehoidon aikana mitattu PAV ei poikennut mitatusta PAV:sta itsenäisen hengityksen aikana. Näin ollen epäsuoraa kalorimetriamenetelmää voidaan käyttää luotettavasti PAV:n määrittämiseen käytet¬täessä samanaikaisesti kotihoitoon soveltuvaa hengityslaitehoitoa. Elämää ylläpitävää kajoavaa hengityslaitehoitoa käyttävien ALS-potilaiden PAV oli merkittävästi hidastunut laskennallisella menetelmällä arvioituun PAV verrattuna.

JNK regulates dendrite and spine architecture in the central nervous system influencing spatial learning and motor tasks

JNK1 is a MAP-kinase that has proven a significant player in the central nervous system. It regulates brain development and the maintenance of dendrites and axons. Several novel phosphorylation targets of JNK1 were identified in a screen performed in the Coffey lab. These proteins were mainly involved in the regulation of neuronal cytoskeleton, influencing the dynamics and stability of microtubules and actin. These structural proteins form the dynamic backbone for the elaborate architecture of the dendritic tree of a neuron. The initiation and branching of the dendrites requires a dynamic interplay between the cytoskeletal building blocks. Both microtubules and actin are decorated by associated proteins which regulate their dynamics. The dendrite-specific, high molecular weight microtubule associated protein 2 (MAP2) is an abundant protein in the brain, the binding of which stabilizes microtubules and influences their bundling. Its expression in non-neuronal cells induces the formation of neurite-like processes from the cell body, and its function is highly regulated by phosphorylation. JNK1 was shown to phosphorylate the proline-rich domain of MAP2 in vivo in a previous study performed in the group. Here we verify three threonine residues (T1619, T1622 and T1625) as JNK1 targets, the phosphorylation of which increases the binding of MAP2 to microtubules. This binding stabilizes the microtubules and increases process formation in non-neuronal cells. Phosphorylation-site mutants were engineered in the lab. The non-phosphorylatable mutant of MAP2 (MAP2- T1619A, T1622A, T1625A) in these residues fails to bind microtubules, while the pseudo-phosphorylated form, MAP2- T1619D, T1622D, Thr1625D, efficiently binds and induces process formation even without the presence of active JNK1. Ectopic expression of the MAP2- T1619D, T1622D, Thr1625D in vivo in mouse brain led to a striking increase in the branching of cortical layer 2/3 (L2/3) pyramidal neurons, compared to MAP2-WT. The dendritic complexity defines the receptive field of a neuron and dictates the output to the postsynaptic cells. Previous studies in the group indicated altered dendrite architecture of the pyramidal neurons in the Jnk1-/- mouse motor cortex. Here, we used Lucifer Yellow loading and Sholl analysis of neurons in order to study the dendritic branching in more detail. We report a striking, opposing effect in the absence of Jnk1 in the cortical layers 2/3 and 5 of the primary motor cortex. The basal dendrites of pyramidal neurons close to the pial surface at L2/3 show a reduced complexity. In contrast, the L5 neurons, which receive massive input from the L2/3 neurons, show greatly increased branching. Another novel substrate identified for JNK1 was MARCKSL1, a protein that regulates actin dynamics. It is highly expressed in neurons, but also in various cancer tissues. Three phosphorylation target residues for JNK1 were identified, and it was demonstrated that their phosphorylation reduces actin turnover and retards migration of these cells. Actin is the main cytoskeletal component in dendritic spines, the site of most excitatory synapses in pyramidal neurons. The density and gross morphology of the Lucifer Yellow filled dendrites were characterized and we show reduced density and altered morphology of spines in the motor cortex and in the hippocampal area CA3. The dynamic dendritic spines are widely considered to function as the cellular correlate during learning. We used a Morris water maze to test spatial memory. Here, the wild-type mice outperformed the knock-out mice during the acquisition phase of the experiment indicating impaired special memory. The L5 pyramidal neurons of the motor cortex project to the spinal cord and regulate the movement of distinct muscle groups. Thus the altered dendrite morphology in the motor cortex was expected to have an effect on the input-output balance in the signaling from the cortex to the lower motor circuits. A battery of behavioral tests were conducted for the wild-type and Jnk1-/- mice, and the knock-outs performed poorly compared to wild-type mice in tests assessing balance and fine motor movements. This study expands our knowledge of JNK1 as an important regulator of the dendritic fields of neurons and their manifestations in behavior.

Regulation of Spermatogenesis: Differentiation of GFP-labeled Stem Cells and the Function of Cytoplasmic Bridges

During spermatogenesis, different genes are expressed in a strictly coordinated fashion providing an excellent model to study cell differentiation. Recent identification of testis specific genes and the development of green fluorescence protein (GFP) transgene technology and an in vivo system for studying the differentiation of transplanted male germ cells in infertile testis has opened new possibilities for studying the male germ cell differentiation at molecular level. We have employed these techniques in combination with transillumination based stage recognition (Parvinen and Vanha-Perttula, 1972) and squash preparation techniques (Parvinen and Hecht, 1981) to study the regulation of male germ cell differentiation. By using transgenic mice expressing enhanced-(E)GFP as a marker we have studied the expression and hormonal regulation of beta-actin and acrosin proteins in the developmentally different living male germ cells. Beta-actin was demonstrated in all male germ cells, whereas acrosin was expressed only in late meiotic and in postmeiotic cells. Follicle stimulating hormone stimulated b-actin-EGFP expression at stages I-VI and enhanced the formation of microtubules in spermatids and this way reduced the size of the acrosomic system. When EGFP expressing spermatogonial stem cells were transplanted into infertile mouse testis differentiation and the synchronized development of male germ cells could be observed during six months observation time. Each colony developed independently and maintained typical stage-dependent cell associations. Furthermore, if more than two colonies were fused, each of them was adjusted to one stage and synchronized. By studying living spermatids we were able to demonstrate novel functions for Golgi complex and chromatoid body in material sharing between neighbor spermatids. Immunosytochemical analyses revealed a transport of haploid cell specific proteins in spermatids (TRA54 and Shippo1) and through the intercellular bridges (TRA54). Cytoskeleton inhibitor (nocodazole) demonstrated the importance of microtubules in material sharing between spermatids and in preserving the integrity of the chromatoid body. Golgi complex inhibitor, brefeldin A, revealed the great importance of Golgi complex i) in acrosomic system formation ii) TRA54 translation and in iii) granule trafficking between spermatids.

Keskoslasten motorinen kehitys : Alberta Infant Motor Scale (AIMS) -testistöllä arvioituna

Opinnäytetyön tarkoituksena oli kuvata alle 1 500 gramman painoisena syntyneiden keskoslasten motorista kehitystä kolmen, kuuden ja kahdentoista kuukauden korjatussa iässä, sekä tuoda esille mahdollisia motorisen kehityksen yhteisiä piirteitä Alberta Infant Motor Scale (AIMS) -testistöllä arvioituna. Työ toteutettiin yhteistyössä Lasten ja nuorten sairauksien toimialan fysioterapian yksikön kanssa, jossa keskoslasten motorisen kehityksen arviointi AIMS-testistöllä oli toteutettu vuosina 2005 - 2006. Idea opinnäytetyöhön syntyi yhteisten keskusteluiden pohjalta fysioterapeuttien kanssa. Opinnäytetyön tavoitteena oli analysoida ja koota yhteenveto Lasten ja nuorten sairauksien toimialalle heidän tutkimastaan aineistosta. Työ oli luonteeltaan kuvaileva kvantitatiivinen tutkimus valmiiksi saadun aineiston pohjalta. Aineisto koostui yhteensä 109 keskoslapsen AIMS-testistön arviointilomakkeista. Keskoslapsista 54 oli kolmen kuukauden, 42 kuuden kuukauden ja 13 kahdentoista kuukauden korjatussa iässä. Tulokset analysoitiin käyttämällä SPSS 13.0 Windows Release-tilasto-ohjelmaa ja tulokset esitettiin taulukoiden ja kuvioiden avulla. Tiedonkeruumenetelminä käytimme kirjallisuuden lisäksi uusimpia tutkimusartikkeleita sekä asiantuntijahaastattelua. Kolmen kuukauden ikäisistä keskoslapsista 51 sijoittui AIMS-testistön motorista kehitystä kuvaaville käyrille. Kolme lasta jäi käyrien alapuolelle. Kuuden kuukauden ikäisten keskoslasten kokonaispistemäärissä oli enemmän hajontaa. 15 lasta jäi AIMS-testistön motorista kehitystä kuvaavien käyrien alapuolelle. Kahdentoista kuukauden ikäisistä lapsista yhdeksän sijoittui motorista kehitystä kuvaaville käyrille ja neljä lasta jäi käyrien alapuolelle. Yhteisenä piirteenä kaikilta kolmen kuukauden ikäisiltä ja 14 kuuden kuukauden ikäiseltä lapselta puuttui taito tukeutua yläraajoihin istuma-asennossa (Sitting With Propped Arms). Tutkimustulosten perusteella kolmen kuukauden ikäisten keskoslasten motorinen kehitys oli valtaosalla (51/54) ikätasoista. Kuuden ja kahdentoista kuukauden ikäisten keskoslasten motorisessa kehityksessä yksilölliset erot olivat suurempia. Tutkimusjoukkomme keskoslapsista motorinen kehitys oli ikätasoa heikompaa 22 keskoslapsella. Lasten ja nuorten sairauksien toimiala saa käyttöönsä työmme tulokset, joita voidaan hyödyntää keskoslasten motorisen kehityksen seurannassa sekä fysioterapian kehittämisessä. Työmme lisää AIMS-testistön tunnettavuutta ja siitä on myös laajemmin hyötyä lasten parissa työskenteleville fysioterapeuteille.