The central role of Fyn kinase in axon-glial signalling and translation of myelin proteins

During central nervous system myelination, oligodendrocytes extend membrane processes towards an axonal contact site which is followed by ensheathment resulting in a compacted multilamellar myelin sheath. The formation of this axon-glial unit facilitates rapid saltatory propagation of action potentials along the axon and requires the synthesis and transport of copious amounts of lipids and proteins to the axon-glial contact site. Fyn is a member of the Src family of non receptor tyrosine kinases and inserted into the inner leaflet of the oligodendrocyte membrane by acylation. Fyn activity plays a pivotal role in the maturation of oligodendrocytes and the myelination process. It was suggested previously that Fyn kinase can be stimulated by binding of a neuronal ligand to oligodendroglial F3/ contactin, a glycosyl-phosphatidyl-inositol anchored immunoglobulin superfamily (IgSF) member protein. It could be shown here, that neuronal cell adhesion molecule L1 binds to oligodendrocytes in an F3-dependent manner and activates glial Fyn. In the search for downstream participants of this novel axon-glial signalling cascade, heterogeneous nuclear ribonucleoprotein (hnRNP) A2 was identified as a novel Fyn target in oligodendrocytes. HnRNP A2 was known to be involved in the localisation of translationally repressed myelin basic protein (MBP) mRNA by binding to a cis acting A2 response element (A2RE) present in the 3’ untranslated region. Transport of MBP mRNAs occurs in RNA-protein complexes termed RNA granules and translational repression during transport is achieved by hnRNP A2-mediated recruitment of hnRNP E1 to the granules. It could be shown here, that Fyn activity leads to enhanced translation of reporter mRNA containing a part of the 3’ UTR of MBP including the A2RE. Furthermore hnRNP E1 seems to dissociate from RNA granules in response to Fyn activity and L1 binding. These findings suggest a novel form of neuron- glial communication: Axonal L1 binding to oligodendroglial F3 activates Fyn kinase. Activated Fyn phosphorylates hnRNP A2 leading to removal of hnRNP E1 from RNA granules initiating the translation of MBP mRNA. MBP is the second most abundant myelin protein and mice lacking this protein show a severe hypomyelination phenotype. Moreover, the brains of Fyn knock out mice contain reduced MBP levels and are hypomyelinated. Hence, L1-mediated MBP synthesis via Fyn as a central molecule could be part of a regulatory mechanism required for myelinogenesis in the central nervous system.

Elektrophysiologische Untersuchungen am experimentellen Autoimmun-Glaukom-Modell

Das Glaukom ist eine der führenden Erblindungsursachen weltweit. Trotzdem ist die Pathogenese, die zur Degeneration der retinalen Ganglienzellen führt, bisher nicht verstanden. In den letzten Jahren ergaben sich verschiedene Hinweise auf die Beteiligung einer immunologischen Komponente. Thema dieser Arbeit waren elektrophysiologische Untersuchungen, im Sinne von visuell evozierten Potentialen, am Tiermodell des Experimentellen Autoimmun Glaukoms und die Etablierung dieses Modells. Das Modell basiert auf einer Immunisierung von Lewisratten mit Pertussistoxin, inkompletten Freunds Adjuvant und potentiellen Antigenen, die zu einer Immunreaktion und einem Verlust von retinalen Ganglienzellen führen sollen. Zur Etablierung des Experimentellen Autoimmun Glaukom Modells wurde eine fünfwöchige Studie mit vier Gruppen durchgeführt. Als Antigene wurden Glia fibrilläres saures Protein (n= 10) und Myelin basisches Protein (n=10) verwendet, die beide in Studien zu Serum- und Kammerwasseranalysen bei Glaukompatienten eine Abweichung zur Kontrollgruppe gezeigt hatten. Außerdem wurde eine Gruppe mit selbst hergestelltem Sehnerv-Homogenat (n=12) immunisiert. Eine Gruppe erhielt keine Immunisierung und diente als Kontrolle (n=10). Zur Überprüfung der Effekte des Modells dienten verschiedene Untersuchungsmethoden, wie die Augeninnendruckmessung und die Untersuchung der Fundi. Des Weiteren wurden transiente und stationäre visuell evozierte Potentiale abgeleitet und die Latenzen, Amplituden und die Marker S (Steigung) und TR (Temporale Antworten) verglichen. Außerdem erfolgte nach Tötung der Tiere die Entnahme der Gehirne und Augen. Die Gehirne wurden nach Paraffineinbettung geschnitten, mit Luxol Fast Blue und Kresylviolett gefärbt und hinsichtlich etwaiger Entmarkungsherde oder anderer Pathologien unter dem Mikroskop bewertet. Der Verlauf des intraokulären Drucks zeigte sowohl zwischen den Gruppen als auch zwischen den verschiedenen Zeitpunkten keine signifikanten Unterschiede. Er bewegte sich im physiologischen Bereich mit durchschnittlich circa 12 mmHg. Die Funduskopien lieferten zu keinem Zeitpunkt krankhafte Veränderungen. Auch die visuell evozierten Potentiale lieferten zwischen den Gruppen keine signifikanten Unterschiede, sondern belegten normale visuelle Funktion bei allen Tieren. Die Auswertung der histologischen Untersuchung der Hirnschnitte zeigte keine Entmarkungsherde. Die erzielten Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass der retinale Ganglienzellverlust beim Experimentellen Autoimmun Glaukom Modell ohne eine Augeninnendruckerhöhung stattfindet. Die Fundusuntersuchung und die visuell evozierten Potentiale, wie in diesem Versuchsaufbau durchgeführt, scheinen nicht sensibel genug zu sein, diese Verluste nachzuweisen. In weiteren Arbeiten sollten andere Methoden zum Nachweis der retinalen Ganglienzellverluste erprobt werden. Neben elektrophysiologischen Methoden bieten sich für das weitere Vorgehen besonders immunhistologische Methoden an. Außerdem sollten die Mechanismen erforscht werden durch die es nach der Immunisierung zur Apoptose von retinalen Ganglienzellen kommt und welche Antikörper dazuführen können. Des Weiteren ist von Interesse, ob und wie eine zelluläre Komponente an der Pathogenese des Experimentellen Autoimmun Glaukoms beteiligt ist.

Pathomechanische Analysen zum Untergang retinaler Ganglienzellen im experimentellen autoimmunen Glaukom-Modell

In den vergangenen Jahren konnten zahlreiche Studien die Veränderung des natürlichen Autoantikörperrepertoirs bei Glaukompatienten aufzeigen. Zu den Antigenen zählen verschiedenen Hitzeschockproteinen, aber ebenso neuronal assoziierte Strukturproteine wie das Myelin basische Protein (MBP) oder das sauren Gliafaserprotein und einige neuropyhsiologische Proteine aus der Retina und dem Sehnerven. Da bei den Glaukompatienten nicht einzelne Antikörperreaktionen verändert sind, sondern vielmehr komplexe Autoantikörpermuster vorliegen, bestand das primäre Ziel der Dissertation zu zeigen, ob eine systemische Immunisierung mit MBP, Homogenaten opticus-assoziierter Antigene (ONA) und Antigenen der retinalen Ganglienzellschicht (RGA) den Verlust von retinalen Ganglienzellen (RGZ) in einem Experimentellen Autoimmunen Glaukom (EAG) Tiermodell auslösen können. Die systemische Injektion von MBP, ONA oder RGA induzierten ophthalmopathologische Veränderungen in der Retina, gekennzeichnet durch retinalen Ganglienzellverlust mitsamt Zerstörung der Axone im Sehnerv. Unter der Annahme, dass die Neurodegeneration durch Autoantiköper vermittelt ist, wurde ebenfalls untersucht, ob sich die Antikörperreaktivität gegen okulare Strukturen oder den Sehnerv im Verlauf der Studie verändern. Getestet wurde die Antikörperreaktivität gegen Gewebsschnitte gesunder Tiere mit dem Ergebnis einer signifikanten und zeitabhängigen Zunahme der Immunreaktivität. Darüber hinaus war es erstmals möglich die Ablagerung von IgG Autoantikörpern in der Retina und dem Sehnerv nachzuweisen sowie die Caspase mediierte Apoptose zu untersuchen. Ebenfalls konnte die Verteilung von aktivierten Mikroglia im optischen System evaluiert werden, wobei diese mehrmals in Kolokalisation mit den IgG-Autoantikörpern auftraten. Diese Beobachtungen lassen den Schluss zu, dass die Immunreaktionen von Autoantikörpern alleine und im Zusammenspiel mit der Mikroglia im Zusammenhang mit der Neurodegeneration der retinalen Ganglienzelle im EAG Modell stehen könnten.

Fyn kinase targets in oligodendroglial physiology and myelination

In the central nervous system (CNS), oligodendrocytes form the multilamellar and compacted myelin sheath by spirally wrapping around defined axons with their specialised plasma membrane. Myelin is crucial for the rapid saltatory conduction of nerve impulses and for the preservation of axonal integrity. The absence of the major myelin component Myelin Basic Protein (MBP) results in an almost complete failure to form compact myelin in the CNS. The mRNA of MBP is sorted to cytoplasmic RNA granules and transported to the distal processes of oligodendrocytes in a translationally silent state. A main mediator of MBP mRNA localisation is the trans-acting factor heterogeneous nuclear ribonucleoprotein (hnRNP) A2 which binds to the cis-acting A2 response element (A2RE) in the 3’UTR of MBP mRNA. A signalling cascade had been identified that triggers local translation of MBP at the axon-glial contact site, involving the neuronal cell adhesion molecule (CAM) L1, the oligodendroglial plasma membrane-tethered Fyn kinase and Fyn-dependent phosphorylation of hnRNP A2. This model was confirmed here, showing that L1 stimulates Fyn-dependent phosphorylation of hnRNP A2 and a remodelling of A2-dependent RNA granule structures. Furthermore, the RNA helicase DDX5 was confirmed here acting together with hnRNP A2 in cytoplasmic RNA granules and is possibly involved in MBP mRNA granule dynamics.rnLack of non-receptor tyrosine kinase Fyn activity leads to reduced levels of MBP and hypomyelination in the forebrain. The multiadaptor protein p130Cas and the RNA-binding protein hnRNP F were verified here as additional targets of Fyn in oligodendrocytes. The findings point at roles of p130Cas in the regulation of Fyn-dependent process outgrowth and signalling cascades ensuring cell survival. HnRNP F was identified here as a novel constituent of oligodendroglial cytoplasmic RNA granules containing hnRNP A2 and MBP mRNA. Moreover, it was found that hnRNP F plays a role in the post-transcriptional regulation of MBP mRNA and that defined levels of hnRNP F are required to facilitate efficient synthesis of MBP. HnRNP F appears to be directly phosphorylated by Fyn kinase what presumably contributes to the initiation of translation of MBP mRNA at the plasma membrane.rnFyn kinase signalling thus affects many aspects of oligodendroglial physiology contributing to myelination. Post-transcriptional control of the synthesis of the essential myelin protein MBP by Fyn targets is particularly important. Deregulation of these Fyn-dependent pathways could thus negatively influence disorders involving the white matter of the nervous system.rnrn

Gene therapy for a novel mouse model of Canavan disease

Canavan disease (CD) is a rare leukodystrophy caused by loss-of-function mutations in the gene encoding aspartoacylase (ASPA), an oligodendrocyte-enriched enzyme. It is characterised by the accumulation of the ASPA substrate N-acetylaspartate (NAA) in brain, blood and urine, leading to a spongiform vacuolisation of the brain, severe motoric and cognitive impairments and premature death. To date, no therapy is available due to the lack of a gene-transfer system allowing transgene expression in oligodendrocytes (OLs) and the restoration of the missing enzyme. Hence, the aim of this study was to establish a novel gene-transfer system and its preclinical evaluation in a CD animal model.rnIn the first part of this thesis, a novel ASPA mouse mutant was generated. A βgeo cassette (including the genes encoding β-galactosidase and neomycin) flanked by frt sites was inserted into intron 1 of the intact aspa gene. Additionally, exon 2 was flanked by loxP sites for optional conditional deletion of the targeted locus. The resulting ASPA-deficient aspalacZ/lacZ-mouse was found to be an accurate model of CD and an important tool to identify novel aspects of its complex pathology. Homozygous mutants showed a CD-like histopathology, neurological impairment, behavioural deficits as well as a reduced body weight. Additionally, MRI data revealed changes in brain metabolite composition. rnRecombinant adeno-associated viral (rAAV) vectors have become a versatile tool for gene transfer to the central nervous system because they are efficient, non-toxic and replication-deficient. Based on the natural neurotropism of AAV vectors, AAV-based gene delivery has entered the clinics for the treatment of neurodegenerative diseases. However, the lack of AAV vectors with oligodendroglial tropism has precluded gene therapy for leukodystrophies. In the second part of this work, it was shown that the transduction profile of established AAV serotypes can be targeted towards OLs in a transcriptional approach, using the oligodendrocyte-specific myelin basic protein (MBP) promoter to drive transgene expression in OLs.rnIn the last part of this work, the therapeutic efficacy of AAV-mediated aspa gene transfer to OLs of juvenile aspalacZ/lacZ mice was evaluated. AAV-aspa injections into multiple sites of the brain parenchyma resulted in transduction of OLs in the grey and white matter throughout the brain. Histological abnormalities in the brain of ASPA-deficient mice were ameliorated and accompanied by a reduction of NAA levels. Furthermore, the treatment resulted in normalisation of body weight, motor function and nest-building behaviour. These data provide a proof-of-concept for a successful gene therapy of Canavan disease. This might pave the way towards translation into clinical application and serve as the basis for the genetic treatment of other leukodystrophies.

Translationsregulation des Myelin basischen Proteins in Gliazellen

Im zentralen Nervensystem (ZNS) myelinisieren Oligodendrozyten neuronale Axone, indem sie ihre Zellfortsätze mehrfach um axonale Segmente wickeln. Die Ausbildung dieser multilamellaren Membranstapel ermöglicht eine saltatorische und damit rasche und energie-effiziente Erregungsleitung (Nave, 2010). Eine Schädigung des Myelins beeinträchtigt die Reizweiterleitung und führt zur Degeneration der Axone, wie es zum Beispiel bei der Multiplen Sklerose der Fall ist. Das Myelin basische Protein (MBP) ist ein Hauptbestandteil des Myelin und ist essentiell für die Kompaktierung der Myelinmembran (Wood et al., 1984). Die MBP mRNA wird in hnRNP A2 enthaltenen RNA Granulen in einem translations-inaktiven Zustand zu den distalen Fortsätzen transportiert. Vermittelt durch axonale Signale wird nach axo-glialem Kontakt die Translation von MBP ermöglicht (White et al., 2008). Der genaue Mechanismus der differentiellen Genregulation des MBP Proteins ist bisher nur unzureichend aufgeklärt. In der vorliegenden Arbeit konnte eine kleine regulatorische RNA (sncRNA) identifiziert werden, welche über die seed Region mit der MBP mRNA interagieren und die Translation regulieren kann. In primären Oligodendrozyten führt die Überexpression der sncRNA-715 zu reduzierten MBP Protein Mengen und die Blockierung der endogenen sncRNA-715 führt zu einer gesteigerten MBP Synthese. Interessanterweise korreliert während der Differenzierung der Oligodendrozyten in vitro und in vivo die Synthese des MBP Proteins invers mit der Expression der sncRNA-715. In Oligodendrozyten beeinflusst eine experimentell erhöhte sncRNA-715 Menge die Zellmorphologie und induziert Apoptose. Weiterhin ist sncRNA-715 in zytoplasmatischen granulären Strukturen lokalisiert und assoziiert mit MBP mRNA in hnRNP A2 Transport- Granula. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass sncRNA-715 ein Bestandteil der hnRNP A2 Granula sein könnte und dort spezifisch die Translation der MBP mRNA während des Lokalisationsprozesses inhibiert. In chronischen MS Läsionen sind Olig2+-Zellen zu finden. Obwohl die MBP mRNA in diesen Läsionen nachzuweisen ist, kann kein Protein synthetisiert werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass in diesen Läsionen die Expression der sncRNA-715 erhöht ist. SncRNA-715 könnte die Translation von MBP verhindern und folglich als Inhibitor der Remyelinisierung während des Krankheitsverlaufs fungieren. Schwann-Zellen sind die myelinisierenden Zellen im peripheren Nervensystem (PNS). Im Zuge der Myelinisierung wird die MBP mRNA in diesen Gliazellen ebenfalls in die distalen Fortsätze transportiert und dort lokal translatiert und in die Myelinmembran eingebaut (Trapp et al., 1987). Im Gegensatz zum ZNS ist im PNS nur wenig über den Transportmechanismus der mRNA bekannt (Masaki, 2012). Es ist es sehr wahrscheinlich, dass in Schwann-Zellen und Oligodendrozyten die Lokalisation und die translationale Hemmung der MBP mRNA ähnlichen Mechanismen unterliegen. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass hnRNP A2 und sncRNA-715 in Schwann-Zellen exprimiert werden und in zytoplasmatischen Granula-ähnlichen Strukturen lokalisiert sind. Während der Differenzierung dieser Gliazellen in vivo und in vitro korreliert die Expression der sncRNA-715 invers mit der Synthese des MBP Proteins. HnRNP A2 und sncRNA-715 scheinen in Schwann-Zellen assoziiert zu sein und könnten wie in Oligodendrozyten den Transport der MBP mRNA vermitteln.

Posttranskriptionale Regulation von Myelin-mRNAs

Die Myelinisierung neuronaler Axone ermöglicht eine schnelle und energieeffiziente Weiterleitung von Informationen im Nervensystem. Durch lokale Synthese von Myelinproteinen kann die Myelinschicht, zeitlich und räumlich reguliert, gebildet werden. Dieser Prozess ist abhängig von verschiedensten axonalen Eigenschaften und muss damit lokal reguliert werden. Die Myelinisierung im zentralen sowie im peripheren Nervensystem hängt unter anderem stark von kleinen regulatorischen RNA Molekülen ab. In Oligodendrozyten wird das Myelin Basische Protein (MBP) von der sncRNA715 translational reguliert, indem diese direkt innerhalb der 3’UTR der Mbp mRNA bindet und damit die Proteinsynthese verhindert. Mbp mRNA wird in hnRNP A2‐enthaltenen RNA Granula in die Zellperipherie transportiert, wo in Antwort auf axonale Signale die membranständige Tyrosin‐ Kinase Fyn aktiviert wird, welche Granula‐Komponenten wie hnRNP A2 und F phosphoryliert wodurch die lokale Translation initiiert wird. Während des Transports wird die mRNA durch die Bindung der sncRNA715 translational reprimiert. SncRNAs bilden zusammen mit Argonaut‐Proteinen den microRNA induced silencing complex (miRISC), welcher die translationale Inhibition oder den Abbau von mRNAs vermittelt. In der vorliegenden Arbeit sollte zum einen die Regulation der sncRNA715‐abhängigen translationalen Repression der Mbp mRNA in oligodendroglialen Zellen genauer untersucht werden und im zweiten Teil wurde die Rolle der sncRNA715 in den myelinbildenden Zellen des peripheren Nervensystems, den Schwann Zellen, analysiert. Es konnte in oligodendroglialen Zellen die mRNA‐Expression der vier, in Säugern bekannten Argonaut‐Proteinen nachgewiesen werden. Außerdem konnten die beiden Proteine Ago1 und Ago2 in vitro sowie in vivo detektiert werden. Ago2 interagiert mit hnRNP A2, Mbp mRNA und sncRNA715, womit es als neue Komponente des Mbp mRNA Transportgranulas identifiziert werden konnte. Des Weiteren colokalisiert Ago2 mit der Fyn‐Kinase und alle vier Argonaut‐Proteine werden Fyn‐abhängig Tyrosin‐phosphoryliert. Die Fyn‐abhängige Phosphorylierung der Granula‐Komponenten in Antwort auf axo‐glialen Kontakt führt zum Zerfall des RNA‐Granulas und zur gesteigerten MBP Proteinsynthese. Dies wird möglicherweise durch Abstoßungskräfte der negativ geladenen phosphorylierten Proteine vermittelt, wodurch diese sich voneinander und von der mRNA entfernen. Durch die Ablösung des miRISCs von der Mbp mRNA wird die Translation möglicherweise reaktiviert und die Myelinisierung kann starten. Mit der Identifizierung von Ago2 als neuer Mbp mRNA Transportgranula‐Komponente konnte ein weiterer Einblick in die Regulation der lokalen Translation von MBP gewährt werden. Das Verständnis dieses Prozesses ist entscheidend für die Entwicklung neuer Therapien von demyelinisierenden Erkrankungen, da neue Faktoren als eventuelle Ziele für pharmakologische Manipulationen identifiziert und möglichweise neue Therapiemöglichkeiten entstehen könnten. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die translationale Regulation von Mbp mRNA in Schwann Zellen untersucht. Auch Schwann Zell‐Mbp wird als mRNA translational inaktiviert zur axo‐glialen Kontaktstelle transportiert, wo vermutlich auch lokale Translation in Antwort auf spezifische Signale stattfindet. Allerdings bleiben die genauen Mechanismen der mRNA‐Lokalisation und damit verbundenen translationalen Repression bislang ungeklärt. Es konnte hier gezeigt werden, dass auch in Schwann Zellen die sncRNA715 exprimiert wird und die Translation von Mbp reguliert. Überexpression der synthetischen sncRNA715 führt zu einer signifikanten Reduktion der MBP Proteinmengen in differenzierten primären Schwann Zellen. Damit kann vermutet werden, dass die Regulation der lokalen MBP Proteinsynthese in Schwann Zellen der in Oligodendrozyten ähnelt

Systematic studies of protein immobilization by surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy

The research interest of this study is to investigate surface immobilization strategies for proteins and other biomolecules by the surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) technique. The recrystallization features of the S-layer proteins and the possibility of combining the S-layer lattice arrays with other functional molecules make this protein a prime candidate for supramolecular architectures. The recrystallization behavior on gold or on the secondary cell wall polymer (SCWP) was recorded by SPR. The optical thicknesses and surface densities for different protein layers were calculated. In DNA hybridization tests performed in order to discriminate different mismatches, recombinant S-layer-streptavidin fusion protein matrices showed their potential for new microarrays. Moreover, SCWPs coated gold chips, covered with a controlled and oriented assembly of S-layer fusion proteins, represent an even more sensitive fluorescence testing platform. Additionally, S-layer fusion proteins as the matrix for LHCII immobilization strongly demonstrate superiority over routine approaches, proving the possibility of utilizing them as a new strategy for biomolecular coupling. In the study of the SPFS hCG immunoassay, the biophysical and immunological characteristics of this glycoprotein hormone were presented first. After the investigation of the effect of the biotin thiol dilution on the coupling efficiently, the interfacial binding model including the appropriate binary SAM structure and the versatile streptavidin-biotin interaction was chosen as the basic supramolecular architecture for the fabrication of a SPFS-based immunoassay. Next, the affinity characteristics between different antibodies and hCG were measured via an equilibrium binding analysis, which is the first example for the titration of such a high affinity interaction by SPFS. The results agree very well with the constants derived from the literature. Finally, a sandwich assay and a competitive assay were selected as templates for SPFS-based hCG detection, and an excellent LOD of 0.15 mIU/ml was attained via the “one step” sandwich method. Such high sensitivity not only fulfills clinical requirements, but is also better than most other biosensors. Fully understanding how LHCII complexes transfer the sunlight energy directionally and efficiently to the reaction center is potentially useful for constructing biomimetic devices as solar cells. After the introduction of the structural and the spectroscopic features of LHCII, different surface immobilization strategies of LHCII were summarized next. Among them the strategy based on the His-tag and the immobilized metal (ion) affinity chromatography (IMAC) technique were of great interest and resulted in different kinds of home-fabricated His-tag chelating chips. Their substantial protein coupling capacity, maintenance of high biological activity and a remarkably repeatable binding ability on the same chip after regeneration was demonstrated. Moreover, different parameters related to the stability of surface coupled reconstituted complexes, including sucrose, detergent, lipid, oligomerization, temperature and circulation rate, were evaluated in order to standardize the most effective immobilization conditions. In addition, partial lipid bilayers obtained from LHCII contained proteo-liposomes fusion on the surface were observed by the QCM technique. Finally, the inter-complex energy transfer between neighboring LHCIIs on a gold protected silver surface by excitation with a blue laser (λ = 473nm) was recorded for the first time, and the factors influencing the energy transfer efficiency were evaluated.