Entstehung und Dynamik des Keratinfilament-Netzwerks

Das zytoplasmatische Zytoskelett besteht aus drei Filamentsystemen, die aus Aktin, Tubulin und Intermediärfilamentproteinen aufgebaut sind und dreidimensionale Netzwerke ausbilden. Das Intermediärfilamentsystem, dem vor allem mechanische Stabilisierungsfunktionen zugesprochen werden, unterscheidet sich von den anderen durch seine Fähigkeit, spontan aus seinen Polypeptiduntereinheiten ohne weitere Kofaktoren zu polymerisieren und durch seinen unpolaren Aufbau. Es ist bis heute unbekannt, wie Intermediärfilamentnetzwerke in vivo moduliert werden und wie ihre Anordnung in den Kontext des Gesamtzytoskeletts koordiniert wird. Am Beispiel der epithelialen Intermediärfilamentproteine, den Keratinen, sollte daher untersucht werden, wie und wo neue Intermediärfilamente entstehen, welche Bedeutung den anderen Filamentsystemen bei dem Netzwerkaufbau und –Turn-Over zukommen und wie die Netzwerkbildung gesteuert wird. Zur Beantwortung dieser Fragestellungen wurden Zellklone hergestellt, die fluoreszierende Keratine synthetisieren. In der Zelllinie SK8/18-2, deren gesamtes Netzwerk aus derartigen Chimären aufgebaut ist, konnten anhand von mikroskopischen Zeitrafferaufnahmen der Fluoreszenzmuster Keratinfilamentvorläufer (KFP) identifiziert und deren Dynamik direkt in lebenden Zellen verfolgt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die KFP in einem Plasmamembran-nahen Bereich entstehen, in dem sie zuerst als punktförmige Partikel detektiert werden. Nach einer initialen, sphäroidalen Wachstumsphase elongieren die Partikel zu kleinen Filamentstückchen. Diese können miteinander fusionieren und werden über ihre Enden in das periphere Netzwerk integriert. Der Wachstumsprozess ist gekoppelt an eine kontinuierliche, langsame Bewegung in Richtung auf das Zellzentrum. Diese Motilität sistiert vollständig nach pharmakologisch induziertem Abbau der Aktinfilamente. In Zeitraffer-aufnahmen kann jedoch in derartig behandelten Zellen ein wesentlich schnellerer Transport, der in verschiedene Richtungen verläuft und durch lange Ruhephasen unterbrochen wird, beobachtet werden. Dieser Modus, der gelegentlich auch in unbehandelten Zellen gefunden wurde, ist abhängig von intakten Mikrotubuli. Erst durch Zerstörung der Aktinfilamente und der Mikrotubuli erlischt die Motilität der KFPs vollständig. Bei der Suche nach Regulatoren der Keratinnetzwerkbildung wurde die p38 MAPK als zentraler Faktor identifiziert. Erstmals konnte eine direkte räumliche und zeitliche Korrelation zwischen einer spezifischen Enzymaktivität durch Nachweis der phosphorylierten p38 MAPK, der daraus folgenden Phosphorylierung eines Keratins, hier Serin 73 des Keratin 8, und der daraus resultierenden Veränderung des Netzwerkaufbaus, d. h. der Ausbildung von Keratingranula, nachgewiesen werden. Diese koordinierten Veränderungen wurden in unterschiedlichen Stresssituationen in verschiedenen Zellsystemen und in Zellen mit mutierten Keratinen beobachtet. Genetische (shRNA) und pharmakologische Manipulationen der p38 MAPK-Aktivität deuten auf einen engen kausalen Zusammenhang hin.

Induktion tolerogener dendritischer Zellen zur Suppression von experimenteller autoimmuner Enzephalomyelitis und Kontaktallergie

Dendritische Zellen (DC) spielen als professionelle antigenpräsentierende Zellen (APC) eine zentrale Rolle in der Aktivierung und Regulierung antigenspezifischer Immunantworten. Aus diesem Grund wird der therapeutische Einsatz von DC zur Behandlung von Autoimmunerkrankungen und Allergien sowie zur Tumorbekämpfung erforscht. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit untersuchten wir das Potenzial einer biolistischen DNA-Vakzinierung zur Induktion tolerogener DC in vivo. Im Tiermodell der Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein Peptid 35-55 (MOGp35-55) induzierten experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE) sollte mittels präventiver biolistischer Kovakzinierung von Plasmid-DNA kodierend für MOG und die immunregulatorischen Zytokine TGFβ oder IL-10 eine protektive Immunität induziert werden. Die MOG-Expression stand dabei entweder unter der Kontrolle des ubiquitär aktiven CMV-Promotors oder des murinen Fascin-Promotors, um eine ektopische MOG-Expression spezifisch in dermalen DC und Langerhanszellen zu erreichen. Dass MOGp35-55-präsentierende DC nach biolistischer DNA-Vakzinierung von der Haut in die drainierenden Lymphknoten migrieren und dort T-Zellen aktivieren, konnte im Vorfeld anhand einer substanziellen Proliferation von MOGp35-55-reaktiven 2D2 T-Zellen nachgewiesen werden. Im präventiven Ansatz der MOGp35-55-induzierten EAE zeigten Mäuse, die mit MOG-kodierenden Plasmiden biolistisch transfiziert wurden, eine leicht reduzierte EAE-Symptomatik. Die Kotransfektion von MOG und TGFβ führte zu einer Verstärkung der EAE-Suppression – unabhängig davon, ob die MOG-Expression unter der Kontrolle des CMV- oder des Fascin-Promotors stand. Interessanterweise resultierte die Koapplikation von MOG- und IL-10-kodierender Plasmid-DNA nur bei DC-fokussierter MOG-Expression zu reduzierter EAE-Symptomatik. Für biolistische DNA-Vakzinierungen stellt somit der Fascin-Promotor eine potente Alternative zu viralen Promotoren dar. Entsprechend der milderen EAE-Symptome beobachteten wir bei behandelten EAE-Mäusen einen geringeren Grad an Demyelinisierung sowie eine reduzierte Infiltration des ZNS mit IFNγ-produzierenden CD4+ Th1- und IL-17-produzierenden CD4+ Th17-Zellen. Desweiteren zeigten Milzzellen ex vivo nach MOGp35-55-Restimulation eine inhibierte Proliferation und eine signifikant reduzierte IFNγ- und IL-17-Zytokinproduktion. Überraschenderweise ging die antigenspezifische Immunsuppression nicht mit der Expansion von Foxp3+ regulatorischen T-Zellen einher. Da die Milzen aber erhöhte Mengen an CD8+IFNγ+ T-Zellen aufweisen, könnte ein zytotoxisch-suppressiver Mechanismus für die Inhibition der Th1- und Th17-Immunantwort verantwortlich sein. Nachfolgende Untersuchungen sind notwendig, um die induzierten immunologischen Mechansimen mittels biolistischer DNA-Vakzinierung aufzuklären. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Generierung von tolerogenen DC in vitro. Dafür wurden murine Knochenmarkszellen unter DC-differenzierenden Bedingungen in Gegenwart des synthetischen Glucocorticoids Dexamethason (DEX) kultiviert. Die DEX-Zugabe führte zur Differenzierung von APC mit geringer CD11c-Expression. DEX-APC waren in vitro weitestgehend gegen LPS stimulierungsresistent und zeigten eine reduzierte Expression von MHC-II und den kostimulatorischen Molekülen CD80, CD86 und CD40. Ihrem tolerogenen Phänotyp entsprechend besaßen DEX-APC ein geringeres syngenes T-Zellstimulierungspotenzial als unbehandelte BM-DC. Anhand der erhöhten Oberflächenexpression von CD11b, GR1 und F4/80 besteht eine phänotypische Ähnlichkeit zu myeloiden Suppressorzellen. Die Fähigkeit von DEX-APC in vivo antigenspezifische Toleranz zu induzieren, wurde durch einen therapeutischen Ansatz im murinen Krankheitsmodell der Kontaktallergie überprüft. Die therapeutische Applikation von DEX-APC führte hierbei im Vergleich zur Applikation von PBS oder unbehandelten BM-DC zu einer signifikant reduzierten Ohrschwellungsreaktion. Zusammenfassend demonstrieren die Ergebnisse dieser Arbeit, dass potente tolerogene DC sowohl in vivo als auch in vitro induziert werden können. Dass diese Zellpopulation effektiv antigenspezifische Immunreaktionen supprimieren kann, macht sie zu einem vielversprechenden Werkzeug in der Behandlung von Autoimmunerkrankungen und Allergien.rn

Neural network activity in the neonatal rat barrel cortex in vivo

Coordinated patterns of electrical activity are important for the early development of sensory systems. The spatiotemporal dynamics of these early activity patterns and the role of the peripheral sensory input for their generation are essentially unknown. There are two projects in this thesis. In project1, we performed extracellular multielectrode recordings in the somatosensory cortex of postnatal day 0 to 7 rats in vivo and observed three distinct patterns of synchronized oscillatory activity. (1) Spontaneous and periphery-driven spindle bursts of 1–2 s in duration and ~10 Hz in frequency occurred approximately every 10 s. (2) Spontaneous and sensory-driven gamma oscillations of 150–300 ms duration and 30–40 Hz in frequency occurred every 10–30 s. (3) Long oscillations appeared only every ~20 min and revealed the largest amplitude (250–750 µV) and longest duration (>40 s). These three distinct patterns of early oscillatory activity differently synchronized the neonatal cortical network. Whereas spindle bursts and gamma oscillations did not propagate and synchronized a local neuronal network of 200–400 µm in diameter, long oscillations propagated with 25–30 µm/s and synchronized 600-800 µm large ensembles. All three activity patterns were triggered by sensory activation. Single electrical stimulation of the whisker pad or tactile whisker activation elicited neocortical spindle bursts and gamma activity. Long oscillations could be only evoked by repetitive sensory stimulation. The neonatal oscillatory patterns in vivo depended on NMDAreceptor-mediated synaptic transmission and gap junctional coupling. Whereas spindle bursts and gamma oscillations may represent an early functional columnar-like pattern, long oscillations may serve as a propagating activation signal consolidating these immature neuronal networks. In project2, Using voltage-sensitive dye imaging and simultaneous multi-channel extracellular recordings in the barrel cortex and somatosensory thalamus of newborn rats in vivo, we found that spontaneous and whisker stimulation induced activity patterns were restricted to functional cortical columns already at the day of birth. Spontaneous and stimulus evoked cortical activity consisted of gamma oscillations followed by spindle bursts. Spontaneous events were mainly generated in the thalamus or by spontaneous whisker movements. Our findings indicate that during early developmental stages cortical networks self-organize in ontogenetic columns via spontaneous gamma oscillations triggered by the thalamus or sensory periphery.

LPS-induced modifications in spontaneous network activity causes neuronal apoptosis in neonatal cerebral cortex

During the perinatal period the developing brain is most vulnerable to inflammation. Prenatal infection or exposure to inflammatory factors can have a profound impact on fetal neurodevelopment with long-term neurological deficits, such as cognitive impairment, learning deficits, perinatal brain damage and cerebral palsy. Inflammation in the brain is characterized by activation of resident immune cells, especially microglia and astrocytes whose activation is associated with a variety of neurodegenerative disorders like Alzheimer´s disease and Multiple sclerosis. These cell types express, release and respond to pro-inflammatory mediators such as cytokines, which are critically involved in the immune response to infection. It has been demonstrated recently that cytokines also directly influence neuronal function. Glial cells are capable of releaseing the pro-inflammatory cytokines MIP-2, which is involved in cell death, and tumor necrosis factor alpha (TNFalpha), which enhances excitatory synaptic function by increasing the surface expression of AMPA receptors. Thus constitutively released TNFalpha homeostatically regulates the balance between neuronal excitation and inhibition in an activity-dependent manner. Since TNFalpha is also involved in neuronal cell death, the interplay between neuronal activity MIP-2 and TNFalpha may control the process of cell death and cell survival in developing neuronal networks. An increasing body of evidence suggests that neuronal activity is important in the regulation of neuronal survival during early development, e.g. programmed cell death (apoptosis) is augmented when neuronal activity is blocked. In our study we were interested on the impact of inflammation on neuronal activity and cell survival during early cortical development. To address this question, we investigated the impact of inflammation on neuronal activity and cell survival during early cortical development in vivo and in vitro. Inflammation was experimentally induced by application of the endotoxin lipopolysaccharide (LPS), which initiates a rapid and well-characterized immune response. I studied the consequences of inflammation on spontaneous neuronal network activity and cell death by combining electrophysiological recordings with multi-electrode arrays and quantitative analyses of apoptosis. In addition, I used a cytokine array and antibodies directed against specific cytokines allowing the identification of the pro-inflammatory factors, which are critically involved in these processes. In this study I demonstrated a direct link between inflammation-induced modifications in neuronal network activity and the control of cell survival in a developing neuronal network for the first time. Our in vivo and in vitro recordings showed a fast LPS-induced reduction in occurrence of spontaneous oscillatory activity. It is indicated that LPS-induced inflammation causes fast release of proinflammatory factors which modify neuronal network activity. My experiments with specific antibodies demonstrate that TNFalpha and to a lesser extent MIP-2 seem to be the key mediators causing activity-dependent neuronal cell death in developing brain. These data may be of important clinical relevance, since spontaneous synchronized activity is also a hallmark of the developing human brain and inflammation-induced alterations in this early network activity may have a critical impact on the survival of immature neurons.

Long-term potentiation and neural network activity in the neonatal rat cerebral cortex in vivo

Long-term potentiation in the neonatal rat rnbarrel cortex in vivo rnLong-term potentiation (LTP) is important for the activity-dependent formation of early cortical circuits. In the neonatal rodent barrel cortex LTP has been so far only studied in vitro. I combined voltage-sensitive dye imaging with extracellular multi-electrode recordings to study whisker stimulation-induced LTP for both the slope of field potential and the number of multi-unit activity in the whisker-to-barrel cortex pathway of the neonatal rat barrel cortex in vivo. Single whisker stimulation at 2 Hz for 10 min induced an age-dependent expression of LTP in postnatal day (P) 0 to P14 rats with the strongest expression of LTP at P3-P5. The magnitude of LTP was largest in the stimulated barrel-related column, smaller in the surrounding septal region and no LTP could be observed in the neighboring barrel. Current source density analyses revealed an LTP-associated increase of synaptic current sinks in layer IV / lower layer II/III at P3-P5 and in the cortical plate / upper layer V at P0-P1. This study demonstrates for the first time an age-dependent and spatially confined LTP in the barrel cortex of the newborn rat in vivo. These activity-dependent modifications during the critical period may play an important role in the development and refinement of the topographic map in the barrel cortex. (An et al., 2012)rnEarly motor activity triggered by gamma and spindle bursts in neonatal rat motor cortexrnSelf-generated neuronal activity generated in subcortical regions drives early spontaneous motor activity, which is a hallmark of the developing sensorimotor system. However, the neuronal activity patterns and functions of neonatal primary motor cortex (M1) in the early movements are still unknown. I combined voltage-sensitive dye imaging with simultaneous extracellular multi-electrode recordings in the neonatal rat S1 and M1 in vivo. At P3-P5, gamma and spindle bursts observed in M1 could trigger early paw movements. Furthermore, the paw movements could be also elicited by the focal electrical stimulation of M1 at layer V. Local inactivation of M1 could significantly attenuate paw movements, suggesting that the neonatal M1 operates in motor mode. In contrast, the neonatal M1 can also operate in sensory mode. Early spontaneous movements and sensory stimulations of paw trigger gamma and spindle bursts in M1. Blockade of peripheral sensory input from the paw completely abolished sensory evoked gamma and spindle bursts. Moreover, both sensory evoked and spontaneously occurring gamma and spindle bursts mediated interactions between S1 and M1. Accordingly, local inactivation of the S1 profoundly reduced paw stimulation-induced and spontaneously occurring gamma and spindle bursts in M1, indicating that S1 plays a critical role in generation of the activity patterns in M1. This study proposes that both self-generated and sensory evoked gamma and spindle bursts in M1 may contribute to the refinement and maturation of corticospinal and sensorimotor networks required for sensorimotor coordination.rn

Interplay between BDNF,TrkB signalling and GABAergic inhibition in the visual cortex of mice

Der visuelle Kortex ist eine der attraktivsten Modellsysteme zur Untersuchung der molekularen Mechanismen der synaptischen Plastizität im Gehirn. Es hat sich gezeigt, dass der Wachstumsfaktor brain-derived-neurotrophic-factor (BDNF) und die GABAerge Hemmung während der Entwicklung eine essentielle Funktion in der Regulierung der synaptischen Plastizität im visuellen Kortex besitzen. BDNF bindet u.a. an TrkB Rezeptoren, die das Signal intrazellular an unterschiedliche Effektormoleküle weiter vermitteln. Außer BDNF sind auch andere TrkB-Rezeptor Agonisten in der Literatur beschrieben. Einer davon ist das kürzlich identifizierte Flavonoid 7,8-Dihydroxyflavone (7,8-DHF), welchem eine neurotrophe Wirkung zugeschrieben wird. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Doktorarbeit wurde der Effekt dieses Agonisten auf die synaptische Übertragung und intrinsischen Zelleigenschaften im visuellen Kortex der Maus untersucht. Dies wurde mit Hilfe der whole-cell patch clamp Methode durchgeführt, wobei die synaptischen Eingänge der Pyramidalzellen der kortikalen Schicht 2/3 von besonderem Interesse waren.rnEine 30 minütige Inkubationszeit der kortikalen Schnitte mit 7,8 DHF (20µM) erzielte eine signifikante Reduktion der GABAergen Hemmung, während die glutamaterge synaptische Übertragung unverändert blieb. Des weiteren konnte in Gegenwart von 7,8 DHF eine Veränderung der intrinsischen neuronalen Zellmembraneigenschaften beobachtet werden. Dies wurde deutlich in der Erhöhung des Eingangwiderstandes und der Frequenz der induzierten Aktionspotentiale. Die chronische Applikation von 7,8 DHF in vivo bestätigte die selektive Wirkung von 7,8 DHF auf das GABAerge System. rnDie Rolle des BDNF-TrkB-Signalweges in der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen ist bisher wenig verstanden. Eine häufig beschriebene elektrophysiologische Veränderung nach kortikaler Verletzung ist eine Reduktion in der GABAergen Hemmung. Im zweiten Abschnitt dieser Doktorarbeit wurde hierzu die Funktion des BDNF-TrkB-Signalweges auf die GABAerge Hemmung nach kortikaler Verletzung untersucht. Es wurde ein "ex-vivo/in-vitro“ Laser-Läsions Modell verwendet, wobei mittels eines Lasers im visuellen Kortex von WT und heterozygoten BDNF (+/−) Mäusen eine definierte, reproduzierbare Läsion induziert wurde. Nachfolgende elektrophysiologische Messungen ergaben, dass die Auswirkung einer Verletzung des visuellen Kortex auf die GABAerge Funktion signifikant von der basalen BDNF Konzentration im Kortex abhängt. Des weiteren konnte beobachtet werden, dass nach kortikaler Verletzung in WT Mäusen sowohl die Frequenz der basalen inhibitorischen, postsynaptischen Potentiale (mIPSCs) reduziert war, als auch ein erhöhtes Paired-Pulse Verhältnis vorlag. Diese Ergebnisse deuten auf Veränderungen der präsynaptischen Funktion inhibitorischer Synapsen auf Pyramidalneurone hin. Im Gegensatz dazu konnte in BDNF (+/−) mice Mäusen eine erhöhte und gleichzeitig verlängerte mIPSC-Amplitude beobachtet werden, induziert durch Reizung afferenter Nervenfasern. Hieraus lässt sich schließen, dass kortikale Verletzungen in BDNF (+/−) mice Mäusen Auswirkungen auf die Eigenschaften von postsynaptischen GABAA-Rezeptoren haben. Die nachfolgende Gabe eines TrkB-Rezeptor Antagonisten bestätigte diese Ergebnisse für das GABAerge System post-Läsion. Dies zeigt auch, dass die Änderungen der synaptischen Hemmung nicht auf eine Reduktion der BDNF-Konzentration zurückzuführen sind. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass der BDNF-TrkB Signalweg eine wichtige Rolle in der Reorganisation der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen spielt. So könnte ein TrkB-Rezeptor Agonist, wie das kürzlich entdeckte 7,8-DHF, über eine Modulation der BDNF-TrB Signalkaskade pharmakologisch die funktionelle Reorganisation des Kortex nach einer fokalen Gehirnverletzung fördern. rnrn