Rol de los factores de crecimiento Wnt sobre el desarrollo de polaridad neuronal y crecimiento axonal. Role of Wnt growth factors on neuronal polarity and axon growth.

El desarrollo y funcionamiento del sistema nervioso dependen de la formación de circuitos neuronales específicos y de programas intrínsecos y extrínsecos que actúan como moduladores del desarrollo neuronal. Inicialmente, los neuroblastos "sensan" a través de receptores específicos, la presencia en el medio de factores de crecimiento, como neurotrofinas clásicas (BDNF, NGF, etc), IGF-1, factores Wnts, que regulan la diferenciación neuronal, polarización, migración, etc. Hasta hace pocos años, las funciones específicas de los diferentes sistemas de factor de crecimiento-receptor en el establecimiento de polaridad y la regulación del crecimiento axonal eran mayormente desconocidas. Más recientemente, trabajos de nuestro y otros grupos de investigación han aportado significativamente al conocimiento de los mecanismos que involucran los sistemas IGF-1-receptor de IGF-1, BDNF-TrkB y NGF-TrkA sobre el desarrollo de polaridad neuronal. Sin embargo, si bien se conoce que los factores de crecimiento Wnt cumplen un rol crucial en eventos que ocurren durante la maduración neuronal (dendritogénesis, sinaptogénesis) poco se sabe sobre los mecanismos por los cuales estos factores regularían el establecimiento inicial de polaridad y el crecimiento axonal. Los factores Wnt como así también su primer efector intracelular Dishevelled (DVL) y sus cascadas de señalización participan de procesos como neurogénesis, guiado axonal, desarrollo dendrítico y formación y mantenimiento de sinápsis. Por estas razones, para el desarrollo del presente proyecto planeamos estudiar los efectos de los factores Wnts, su receptor Frizzled (Fz) y su efector DVL sobre el establecimiento de polaridad y la regulación del crecimiento axonal. También compararemos los efectos de los factores Wnt con los de IGF-1 (el único factor de crecimiento conocido esencial para el establecimiento de polaridad). Finalmente, intentaremos determinar cuál o cuáles de las cascadas intracelulares de señalización activadas por los Wnts están involucradas en sus efectos axogénicos. La metodología a utilizar se basará en el empleo de cultivos primarios de neuronas de hipocampo de embriones de rata de 18 días de gestación, los que serán expuestos a los factores Wnt y/o IGF-1. Se diseñarán experimentos tendientes a evaluar los efectos de dichos factores durante los diferentes estadíos de diferenciación neuronal que se analizarán por microscopía de fluorescencia confocal. Al mismo tiempo se realizarán ensayos de subfraccionamiento que permitan purificar conos de crecimiento aislados en los que se evaluará el rol local de Wnt y sus efectores sobre la fosforilación de quinasas que median la adición local de membrana y elongación axonal. Se examiná el rol de DVL sobre la especificación axonal a través de la expresión epistática en neuronas no diferenciadas como así también se bloqueará su expresión a tavés del uso de siRNA o cDNAs que actúen como dominantes negativas. Finalmente, se examinará una posible "transactivación" por IGF-1 o Wnts de sus receptores o primeros efectores intracelulares específicos, IRS-1- PI3K para IGF-1 y Dishevelled para Wnts. Para ello, se diseñarán experimentos en los que se utilizarán inhibidores farmacológicos específicos y se realizan ensayos de fosforilación en conos de crecimiento aislados y en cultivos neuronales. Los resultados serán cuantificados y sometidos softwares estadísticos adecuados.El desarrollo de estos experimentos nos permitirá examinar posibles paralelismos entre la activación del sistema Wnt-Frizzled-Dishevelled y del sistema IGF-1-Receptor de IGF-1-PI3K, el único sistema factor de crecimiento-receptor conocido esencial para el establecimiento de la polaridad neuronal y así poder lograr un acercamiento al/los posible mecanismo/s que regula/n la diferenciación neuronal y el crecimiento axonal.

Participación del tráfico y la distribución de proteínas en la polaridad y el desarrollo de procesos neuronales. Protein sorting and trafficking participation in neuronal processes polarity and development.

El estudio del tráfico intracelular en neuronas ha despertado gran interés en los últimos años, debido a que un gran número de enfermedades neurodegenerativas y neuropsiquiátricas parecen tener origen en en el transporte defectuoso de proteínas en estos tipos celulares. Mediante el uso de técnicas de biología celular y molecular, fuimos capaces de describir una de las vías que regula la fisión de las vesículas que llevan su cargo desde la última cisterna del Aparato de Golgi hacia la superficie celular en células epiteliales no polarizadas. Uno de los componentes clave de esa vía resultó ser la Proteina Kinasa D1 (PKD1), cuya actividad en el Aparato de Golgi es esencial para un normal transporte intracelular. Sorprendentemente, observamos que la PKD1 en neuronas con polaridad establecida no regula la fisión en el Golgi, pero si estaría involucrada en la selectividad y distribución (sorting) de vesículas cuyo cargo debe ser específicamente dirigido a las membranas dendríticas. El bloqueo de la actividad de la PKD1 no solamente cambia el destino final de estos cargos, que son enviados de esta forma a la membrana terminal del axón, sino que también es capaz de inducir defectos en el desarrollo y crecimiento de los procesos dendríticos a largo plazo. En este proyecto estudiaremos de que manera influye la perturbación del sorting, en ausencia de PKD1 activa y de otros componentes que la regulan, en la distribución de receptores de factores neurotróficos y de neurotransmisores glutamatérgicos, y cómo estos cambios en su distribución afectan el número, tamaño, y funcionalidad de los procesos neuronales (axones y dendritas). Estos resultados contribuirán a adquirir mayores conocimientos de los mecanismos dependientes del transporte y sorting de proteínas de membrana que participan en la regulación del crecimiento neuronal, los cuales a su vez aportarán información valiosa en la comprensión de un gran número de enfermedades neurológicas. The study of intracellular trafficking in neurons has arisen a great deal of interest in the last years, since a great number of neurodegenerative and neuropsychiatric disorders seem to be originated in abnormal protein transport in these type of cells. Using cell and molecular biology methodologies, we have been capable of describe one of the pathways that regulate the fission of vesicles that carry their cargo from the last Golgi Apparatus cisternae to the cell surface in non-polarized epithelial cells. One of the key components in this pathway is the Protein Kinase D1 (PKD1), whose activity in the Golgi Apparatus is essential for a normal intracelular transport. Surprisingly, we have observed that PKD1 does not regulate fission in neurons with established polarity, but it would be involved in vesicles' sorting at Golgi, particularly of those that carry specific dendritic cargo. Blocking PKD1 activity changes the final destination of these cargoes, which is now sent to the axons' terminal membranes, and also produces late dendritic development and growing defects. In this project we will study how sorting perturbation in absence of PKD1 and its regulators activities influences selectivity and distribution of neurotrophic and neurotransmitter receptors, and how these sorting changes affect number, size and functionality of neuronal processes (axons and dendrites). These results will help to acquire greater knowledge about transport and sorting mechanisms of neuronal growth regulatory membrane proteins. In addition, these studies will contribute with new valuable information necessary to understand numerous neurological diseases.

Functional neuronal plasticity in the dentate gyrus of freely moving rats

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2011

impact of prenatal stress and neonatal handling on the neuronal development of the rodent limbic system

Prenatal stress, rodent, limbic system, neuronal development, dendritic spines, sex difference

Modelling the influence of microstructure on elastic properties and tensile damage behaviour of Mo-base silicide alloys

Mo-Si-B alloys, Real microstructures, Voronoi structures, Microstructural characterization, Modelling and finite element simulations, Effective material properties, Damage and Crack growth, tensile strength, fracture toughness

Refinement of neuronal networks in the rodent prefrontal cortex and hippocampus : critical impact of early and late social experiences

Weaning, social environment, dendrites, dendritic spines, limbic system

Molecular dynamics of the neuronal Ca 2+ -binding proteins Caldendrin and Calneurons

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2009

Funktion der astrozytär und neuronal exprimierten Rezeptoruntereinheit gp130 bei der murinen Toxoplasma-Enzephalitis

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2012

Micro scale modeling grain boundary damage under creep conditions

Magdeburg, Univ., Fak. für Maschinenbau, Diss., 2014

Neuronal alterations in chronic cerebral Toxoplasma gondii infection

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2015

E3 ubiquitin ligase Praja1 inhibits the development of a neuronal phenotype in PC12 cells

Magdeburg, Univ., Med. Fak., Diss., 2015

Methods for analyzing the influence of molecular dynamics on neuronal activity

Magdeburg, Univ., Fak. für Informatik, Diss., 2015

Comprehensive Expression Analyses of Neural Cell-Type-Specific miRNAs Identify New Determinants of the Specification and Maintenance of Neuronal Phenotypes.

MicroRNAs (miRNAs) have been shown to play important roles in both brain development and the regulation of adult neural cell functions. However, a systematic analysis of brain miRNA functions has been hindered by a lack of comprehensive information regarding the distribution of miRNAs in neuronal versus glial cells. To address this issue, we performed microarray analyses of miRNA expression in the four principal cell types of the CNS (neurons, astrocytes, oligodendrocytes, and microglia) using primary cultures from postnatal d 1 rat cortex. These analyses revealed that neural miRNA expression is highly cell-type specific, with 116 of the 351 miRNAs examined being differentially expressed fivefold or more across the four cell types. We also demonstrate that individual neuron-enriched or neuron-diminished RNAs had a significant impact on the specification of neuronal phenotype: overexpression of the neuron-enriched miRNAs miR-376a and miR-434 increased the differentiation of neural stem cells into neurons, whereas the opposite effect was observed for the glia-enriched miRNAs miR-223, miR-146a, miR-19, and miR-32. In addition, glia-enriched miRNAs were shown to inhibit aberrant glial expression of neuronal proteins and phenotypes, as exemplified by miR-146a, which inhibited neuroligin 1-dependent synaptogenesis. This study identifies new nervous system functions of specific miRNAs, reveals the global extent to which the brain may use differential miRNA expression to regulate neural cell-type-specific phenotypes, and provides an important data resource that defines the compartmentalization of brain miRNAs across different cell types.

Cells with neuronal characteristics differentiate and persist for one year in rat optic nerve explants cultures.

Evidence concerning the presence or absence of common neuronglia lineages in the postnatal mammalian central nervous system is still a matter of speculation. We address this problem using optic nerve explants, which show an extremely long survival in culture. Morphological, immunocytochemical and immunochemical methods were applied. The results obtained from in vitro tissue were compared with optic nerves (ONs) and whole-brain samples from animals of different ages. Newborn rat ONs represented the starting material of our tissue culture; they are composed of unmyelinated axons, astrocytes and progenitor cells but devoid of neuronal cell bodies. At this age, Western blots of ONs were positively stained by neurofilament and synapsin I specific antibodies. These bands increased in intensity during postnatal in situ development. In explant cultures, the glia cells reach a stage of functional differentiation and they maintain, together with undifferentiated cells, a complex histotypic organization. After 6 days in vitro, neurofilaments and synapsin I could not be detected on immunoblots, indicating that 1) axonal degeneration was completed, and 2) neuronal somata were absent at the time. Surprisingly, after about 4-5 weeks in culture, a new cell type appeared, which showed characteristics typical of neurons. After 406 days in vitro, neurofilaments and synapsin I were unequivocally detectable on Western blots. Furthermore, both immunocytochemical staining and light and electron microscopic examinations corroborated the presence of this earlier-observed cell type. These in vitro results clearly show the high developmental plasticity of ON progenitor cells, even late in development. The existence of a common neuron-glia precursor, which never gives rise to neurons in situ, is suggested.

Predicting trabecular bone microdamage initiation and accumulation using a non-linear perfect damage model

Studies evaluating the mechanical behavior of the trabecular microstructure play an important role in our understanding of pathologies such as osteoporosis, and in increasing our understanding of bone fracture and bone adaptation. Understanding of such behavior in bone is important for predicting and providing early treatment of fractures. The objective of this study is to present a numerical model for studying the initiation and accumulation of trabecular bone microdamage in both the pre- and post-yield regions. A sub-region of human vertebral trabecular bone was analyzed using a uniformly loaded anatomically accurate microstructural three-dimensional finite element model. The evolution of trabecular bone microdamage was governed using a non-linear, modulus reduction, perfect damage approach derived from a generalized plasticity stress-strain law. The model introduced in this paper establishes a history of microdamage evolution in both the pre- and post-yield regions