Expression et rôle de PD-1 et de ses ligands dans le contexte de la sclérose en plaques

La sclérose en plaques (SEP) est une maladie inflammatoire démyélinisante et neurodégénérative du système nerveux central (SNC). Les cellules T activées qui expriment le PD-1 sont inhibées via l’interaction avec l’un des ligands: PD-L1 ou PD-L2. Des études effectuées chez le modèle murin de la SEP, l’encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE), ont démontré que l’interaction du PD-1 avec ses ligands contribue à atténuer la maladie. Toutefois, le rôle du PD-1 et de ses ligands dans la pathogenèse de la SEP chez l’humain et dans le modèle murin n’a pas été complètement élucidé. Nous avons déterminé que plusieurs cellules du SNC humain peuvent exprimer les ligands du PD-1. Les astrocytes, les microglies, les oligodendrocytes et les neurones expriment faiblement le PD-L1 dans des conditions basales mais augmentent de façon significative cette expression en réponse à des cytokines inflammatoires. Le blocage de l’expression du PD-L1 par les astrocytes à l’aide de siRNA spécifiques mène à l’augmentation significative des réponses des cellules T CD8+ (prolifération, cytokines, enzymes lytiques). Nos résultats établissent ainsi que les cellules gliales humaines peuvent exprimer des niveaux suffisants de PD-L1 en milieu inflammatoire pour inhiber les réponses des cellules T CD8+. Notre analyse de tissus cérébraux post-mortem par immunohistochimie démontre que dans les lésions de la SEP les niveaux de PD-L1 sont significativement plus élevés que dans les tissus de témoins; les astrocytes et les microglies/macrophages expriment le PD-L1. Cependant, plus de la moitié des lymphocytes T CD8+ ayant infiltré des lésions de SEP n’expriment pas le récepteur PD-1. Au cours du développement de l’EAE, les cellules du SNC augmentent leur niveau de PD-L1. Le PD-1 est fortement exprimé par les cellules T dès le début des symptômes, mais son intensité diminue au cours de la maladie, rendant les cellules T insensibles au signal inhibiteur envoyé par le PD-L1. Nous avons observé que les cellules endothéliales humaines formant la barrière hémato-encéphalique (BHE) expriment de façon constitutive le PD-L2 mais pas le PD-L1 et que l’expression des deux ligands augmente dans des conditions inflammatoires. Les ligands PD-L1 et PD-L2 exprimés par les cellules endothéliales ont la capacité de freiner l’activation des cellules T CD8+ et CD4+, ainsi que leur migration à travers la BHE. L’endothélium du cerveau des tissus normaux et des lésions SEP n’exprime pas des taux détectables de PD-L1. En revanche, tous les vaisseaux sanguins des tissus de cerveaux normaux sont positifs pour le PD-L2, alors que seulement la moitié de ceux-ci expriment le PD-L2 dans des lésions SEP. Nos travaux démontrent que l’entrée des cellules T activées est contrôlée dans des conditions physiologiques grâce à la présence du PD-L2 sur la BHE. Cependant, l’expression plus faible du PD-L2 sur une partie des vaisseaux sanguins dans les lésions SEP nuit au contrôle de la migration des cellules immunes. De plus, une fois dans le SNC, les cellules T CD8+ étant dépourvues du PD-1 ne peuvent recevoir le signal inhibiteur fourni par le PD-L1 fortement exprimé par les cellules du SNC, leur permettant ainsi de rester activées.

Régulation moléculaire de la barrière hémo-encéphalique

La Sclérose en plaques (SEP) est une maladie auto-immune inflammatoire démyélinisante du système nerveux central (SNC), lors de laquelle des cellules inflammatoires du sang périphérique infiltrent le SNC pour y causer des dommages cellulaires. Dans ces réactions neuroinflammatoires, les cellules immunitaires traversent le système vasculaire du SNC, la barrière hémo-encéphalique (BHE), pour avoir accès au SNC et s’y accumuler. La BHE est donc la première entité que rencontrent les cellules inflammatoires du sang lors de leur migration au cerveau. Ceci lui confère un potentiel thérapeutique important pour influencer l’infiltration de cellules du sang vers le cerveau, et ainsi limiter les réactions neuroinflammatoires. En effet, les interactions entre les cellules immunitaires et les parois vasculaires sont encore mal comprises, car elles sont nombreuses et complexes. Différents mécanismes pouvant influencer la perméabilité de la BHE aux cellules immunitaires ont été décrits, et représentent aujourd’hui des cibles potentielles pour le contrôle des réactions neuro-immunes. Cette thèse a pour objectif de décrire de nouveaux mécanismes moléculaires opérant au niveau de la BHE qui interviennent dans les réactions neuroinflammatoires et qui ont un potentiel thérapeutique pour influencer les interactions neuro-immunologiques. Ce travail de doctorat est séparé en trois sections. La première section décrit la caractérisation du rôle de l’angiotensine II dans la régulation de la perméabilité de la BHE. La seconde section identifie et caractérise la fonction d’une nouvelle molécule d’adhérence de la BHE, ALCAM, dans la transmigration de cellules inflammatoires du sang vers le SNC. La troisième section traite des propriétés sécrétoires de la BHE et du rôle de la chimiokine MCP-1 dans les interactions entre la BHE et les cellules souches. Dans un premier temps, nous démontrons l’importance de l’angiotensinogène (AGT) dans la régulation de la perméabilité de la BHE. L’AGT est sécrété par les astrocytes et métabolisé en angiotensine II pour pouvoir agir au niveau des CE de la BHE à travers le récepteur à l’angiotensine II, AT1 et AT2. Au niveau de la BHE, l’angiotensine II entraîne la phosphorylation et l’enrichissement de l’occludine au sein de radeaux lipidiques, un phénomène associé à l’augmentation de l’étanchéité de la BHE. De plus, dans les lésions de SEP, on retrouve une diminution de l’expression de l’AGT et de l’occludine. Ceci est relié à nos observations in vitro, qui démontrent que des cytokines pro-inflammatoires limitent la sécrétion de l’AGT. Cette étude élucide un nouveau mécanisme par lequel les astrocytes influencent et augmentent l’étanchéité de la BHE, et implique une dysfonction de ce mécanisme dans les lésions de la SEP où s’accumulent les cellules inflammatoires. Dans un deuxième temps, les techniques établies dans la première section ont été utilisées afin d’identifier les protéines de la BHE qui s’accumulent dans les radeaux lipidiques. En utilisant une technique de protéomique nous avons identifié ALCAM (Activated Leukocyte Cell Adhesion Molecule) comme une protéine membranaire exprimée par les CE de la BHE. ALCAM se comporte comme une molécule d’adhérence typique. En effet, ALCAM permet la liaison entre les cellules du sang et la paroi vasculaire, via des interactions homotypiques (ALCAM-ALCAM pour les monocytes) ou hétérotypiques (ALCAM-CD6 pour les lymphocytes). Les cytokines inflammatoires augmentent le niveau d’expression d’ALCAM par la BHE, ce qui permet un recrutement local de cellules inflammatoires. Enfin, l’inhibition des interactions ALCAM-ALCAM et ALCAM-CD6 limite la transmigration des cellules inflammatoires (monocytes et cellules T CD4+) à travers la BHE in vitro et in vivo dans un modèle murin de la SEP. Cette deuxième partie identifie ALCAM comme une cible potentielle pour influencer la transmigration de cellules inflammatoires vers le cerveau. Dans un troisième temps, nous avons pu démontrer l’importance des propriétés sécrétoires spécifiques à la BHE dans les interactions avec les cellules souches neurales (CSN). Les CSN représentent un potentiel thérapeutique unique pour les maladies du SNC dans lesquelles la régénération cellulaire est limitée, comme dans la SEP. Des facteurs qui limitent l’utilisation thérapeutique des CSN sont le mode d’administration et leur maturation en cellules neurales ou gliales. Bien que la route d’administration préférée pour les CSN soit la voie intrathécale, l’injection intraveineuse représente la voie d’administration la plus facile et la moins invasive. Dans ce contexte, il est important de comprendre les interactions possibles entre les cellules souches et la paroi vasculaire du SNC qui sera responsable de leur recrutement dans le parenchyme cérébral. En collaborant avec des chercheurs de la Belgique spécialisés en CSN, nos travaux nous ont permis de confirmer, in vitro, que les cellules souches neurales humaines migrent à travers les CE humaines de la BHE avant d’entamer leur différenciation en cellules du SNC. Suite à la migration à travers les cellules de la BHE les CSN se différencient spontanément en neurones, en astrocytes et en oligodendrocytes. Ces effets sont notés préférentiellement avec les cellules de la BHE par rapport aux CE non cérébrales. Ces propriétés spécifiques aux cellules de la BHE dépendent de la chimiokine MCP-1/CCL2 sécrétée par ces dernières. Ainsi, cette dernière partie suggère que la BHE n’est pas un obstacle à la migration de CSN vers le SNC. De plus, la chimiokine MCP-1 est identifiée comme un facteur sécrété par la BHE qui permet l’accumulation et la différentiation préférentielle de cellules souches neurales dans l’espace sous-endothélial. Ces trois études démontrent l’importance de la BHE dans la migration des cellules inflammatoires et des CSN vers le SNC et indiquent que de multiples mécanismes moléculaires contribuent au dérèglement de l’homéostasie du SNC dans les réactions neuro-immunes. En utilisant des modèles in vitro, in situ et in vivo, nous avons identifié trois nouveaux mécanismes qui permettent d’influencer les interactions entre les cellules du sang et la BHE. L’identification de ces mécanismes permet non seulement une meilleure compréhension de la pathophysiologie des réactions neuroinflammatoires du SNC et des maladies qui y sont associées, mais suggère également des cibles thérapeutiques potentielles pour influencer l’infiltration des cellules du sang vers le cerveau

Caractérisation du rôle de MCAM dans la sclérose en plaques

Objectifs: Chez les patients atteints de sclérose en plaques (SEP), des lymphocytes pro-inflammatoires utilisent des molécules d’adhérence afin de parvenir à traverser la barrière hémo-encéphalique (BHE) et former des lésions multifocales dans le système nerveux central (SNC). Dans le contexte de la SEP, les lymphocytes CD4 auto-agressifs polarisés en TH17 (sécrétant de l’IL-17) sont reconnus comme contribuant à la formation des lésions. Le rôle des lymphocytes CD8 TC17 est quant à lui encore mal défini. L’identification de marqueurs de surface spécifiquement exprimés par les lymphocytes TH17 et TC17 faciliterait la caractérisation de ces sous-populations pathogéniques et fournirait de nouvelles cibles thérapeutiques pour traiter la SEP. Méthodologie: Nous avons identifié MCAM lors d’analyses protéomiques de cellules endothéliales de la BHE humaine et de lymphocytes T humains. Nous avons caractérisé le phénotype et la fonction de ces cellules exprimant MCAM ex vivo, in vitro, in situ et in vivo, à partir de matériel obtenu de témoins (contrôles), de patients atteints de SEP et d’animaux atteints d’encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE). Résultats: MCAM est exprimé à la fois par les cellules endothéliales de la BHE humaine et par une sous-population de lymphocytes T effecteurs mémoire CD161+ et CCR6+. Les lymphocytes CD4 et CD8 MCAM+ expriment plus d’IL-17, IL-22, GM-CSF et granzyme B (Gz B) que les lymphocytes MCAMneg. De plus, l’expression de MCAM est fortement augmentée à la surface des lymphocytes T CD4+ et CD8+ lors des poussées de SEP, alors que les traitements immunomodulateurs en diminuent l’expression. In situ, l’expression de MCAM par les cellules endothéliales de la BHE est plus marquée au site des lésions de SEP et d’EAE, et on retrouve des lymphocytes CD4 et CD8 MCAM+ au sein de ces infiltrats périvasculaires du SNC. In vitro, les lymphocytes CD8 MCAM+ causent plus de mort oligodendrocytaire et bloquer MCAM diminue la transmigration des CD8 TC17 et des CD4 TH17 à travers les cellules endothéliales de la BHE humaine. In vivo, dépléter les lymphocytes CD4 ou CD8 MCAM+ améliore les signes cliniques de l’EAE par transfert. Par ailleurs, l’expression de MCAM est régulée à la hausse à la surface des lymphocytes CD4 et CD8 de la souris transgénique TCR1640, un modèle animal d’EAE spontanée. Finalement, bloquer MCAM atténue les déficits neurologiques chroniques aussi bien du modèle d’EAE induite avec le MOG35-55 que du modèle d’EAE spontanée. Conclusion: Nos données démontrent que les lymphocytes encéphalitogéniques produisant de l’IL-17 et présentant une capacité effectrice et migratoire marquée expriment MCAM. MCAM pourrait servir de biomarqueur en SEP et constituer une cible thérapeutique valable pour traiter les conditions neuroinflammatoires.

Repressor element 1 silencing transcription factor couples loss of pluripotency with neural induction and neural differentiation

Neural differentiation of embryonic stem cells (ESCs) requires coordinated repression of the pluripotency regulatory program and reciprocal activation of the neurogenic regulatory program. Upon neural induction, ESCs rapidly repress expression of pluripotency genes followed by staged activation of neural progenitor and differentiated neuronal and glial genes. The transcriptional factors that underlie maintenance of pluripotency are partially characterized whereas those underlying neural induction are much less explored, and the factors that coordinate these two developmental programs are completely unknown. One transcription factor, REST (repressor element 1 silencing transcription factor), has been linked with terminal differentiation of neural progenitors and more recently, and controversially, with control of pluripotency. Here, we show that in the absence of REST, coordination of pluripotency and neural induction is lost and there is a resultant delay in repression of pluripotency genes and a precocious activation of both neural progenitor and differentiated neuronal and glial genes. Furthermore, we show that REST is not required for production of radial glia-like progenitors but is required for their subsequent maintenance and differentiation into neurons, oligodendrocytes, and astrocytes. We propose that REST acts as a regulatory hub that coordinates timely repression of pluripotency with neural induction and neural differentiation.

Prolonged cultivation of hippocampal neural precursor cells shifts their differentiation potential and selects for aneuploid cells

Neural precursor cells (NPCs) are lineage-restricted neural stem cells with limited self-renewal, giving rise to a broad range of neural cell types such as neurons, astrocytes, and oligodendrocytes. Despite this developmental potential, the differentiation capacity of NPCs has been controversially discussed concerning the trespassing lineage boundaries, for instance resulting in hematopoietic competence. Assessing their in vitro plasticity, we isolated nestin+/Sox2+, NPCs from the adult murine hippocampus. In vitro-expanded adult NPCs were able to form neurospheres, self-renew, and differentiate into neuronal, astrocytic, and oligodendrocytic cells. Although NPCs cultivated in early passage efficiently gave rise to neuronal cells in a directed differentiation assay, extensively cultivated NPCs revealed reduced potential for ectodermal differentiation. We further observed successful differentiation of long-term cultured NPCs into osteogenic and adipogenic cell types, suggesting that NPCs underwent a fate switch during culture. NPCs cultivated for more than 12 passages were aneuploid (abnormal chromosome numbers such as 70 chromosomes). Furthermore, they showed growth factor-independent proliferation, a hallmark of tumorigenic transformation. In conclusion, our findings substantiate the lineage restriction of NPCs from adult mammalian hippocampus. Prolonged cultivation results, however, in enhanced differentiation potential, which may be attributed to transformation events leading to aneuploid cells.

Alternative generation of CNS neural stem cells and PNS derivatives from neural crest-derived peripheral stem cells

Neural crest-derived stem cells (NCSCs) from the embryonic peripheral nervous system (PNS) can be reprogrammed in neurosphere (NS) culture to rNCSCs that produce central nervous system (CNS) progeny, including myelinating oligodendrocytes. Using global gene expression analysis we now demonstrate that rNCSCs completely lose their previous PNS characteristics and acquire the identity of neural stem cells derived from embryonic spinal cord. Reprogramming proceeds rapidly and results in a homogenous population of Olig2-, Sox3-, and Lex-positive CNS stem cells. Low-level expression of pluripotency inducing genes Oct4, Nanog, and Klf4 argues against a transient pluripotent state during reprogramming. The acquisition of CNS properties is prevented in the presence of BMP4 (BMP NCSCs) as shown by marker gene expression and the potential to produce PNS neurons and glia. In addition, genes characteristic for mesenchymal and perivascular progenitors are expressed, which suggests that BMP NCSCs are directed toward a pericyte progenitor/mesenchymal stem cell (MSC) fate. Adult NCSCs from mouse palate, an easily accessible source of adult NCSCs, display strikingly similar properties. They do not generate cells with CNS characteristics but lose the neural crest markers Sox10 and p75 and produce MSC-like cells. These findings show that embryonic NCSCs acquire a full CNS identity in NS culture. In contrast, MSC-like cells are generated from BMP NCSCs and pNCSCs, which reveals that postmigratory NCSCs are a source for MSC-like cells up to the adult stage.

Distinct clinical and neuropathological features of G51D SNCA mutation cases compared with SNCA duplication and H50Q mutation

Background: We and others have described the neurodegenerative disorder caused by G51D SNCA mutation which shares characteristics of Parkinson’s disease (PD) and multiple system atrophy (MSA). The objective of this investigation was to extend the description of the clinical and neuropathological hallmarks of G51D mutant SNCA-associated disease by the study of two additional cases from a further G51D SNCA kindred and to compare the features of this group with a SNCA duplication case and a H50Q SNCA mutation case. Results: All three G51D patients were clinically characterised by parkinsonism, dementia, visual hallucinations, autonomic dysfunction and pyramidal signs with variable age at disease onset and levodopa response. The H50Q SNCA mutation case had a clinical picture that mimicked late-onset idiopathic PD with a good and sustained levodopa response. The SNCA duplication case presented with a clinical phenotype of frontotemporal dementia with marked behavioural changes, pyramidal signs, postural hypotension and transiently levodopa responsive parkinsonism. Detailed post-mortem neuropathological analysis was performed in all cases. All three G51D cases had abundant α-synuclein pathology with characteristics of both PD and MSA. These included widespread cortical and subcortical neuronal α-synuclein inclusions together with small numbers of inclusions resembling glial cytoplasmic inclusions (GCIs) in oligodendrocytes. In contrast the H50Q and SNCA duplication cases, had α-synuclein pathology resembling idiopathic PD without GCIs. Phosphorylated α-synuclein was present in all inclusions types in G51D cases but was more restricted in SNCA duplication and H50Q mutation. Inclusions were also immunoreactive for the 5G4 antibody indicating their highly aggregated and likely fibrillar state. Conclusions: Our characterisation of the clinical and neuropathological features of the present small series of G51D SNCA mutation cases should aid the recognition of this clinico-pathological entity. The neuropathological features of these cases consistently share characteristics of PD and MSA and are distinct from PD patients carrying the H50Q or SNCA duplication.

Enhanced Neural Progenitor/Stem Cells Self-Renewal via the Interaction of Stress-Inducible Protein 1 with the Prion Protein

Prion protein (PrPC), when associated with the secreted form of the stress-inducible protein 1 (STI1), plays an important role in neural survival, neuritogenesis, and memory formation. However, the role of the PrP(C)-STI1 complex in the physiology of neural progenitor/stem cells is unknown. In this article, we observed that neurospheres cultured from fetal forebrain of wild-type (Prnp(+/+)) and PrP(C)-null (Prnp(0/0)) mice were maintained for several passages without the loss of self-renewal or multipotentiality, as assessed by their continued capacity to generate neurons, astrocytes, and oligodendrocytes. The homogeneous expression and colocalization of STI1 and PrP(C) suggest that they may associate and function as a complex in neurosphere-derived stem cells. The formation of neurospheres from Prnp(0/0) mice was reduced significantly when compared with their wild-type counterparts. In addition, blockade of secreted STI1, and its cell surface ligand, PrP(C), with specific antibodies, impaired Prnp(+/+) neurosphere formation without further impairing the formation of Prnp(0/0) neurospheres. Alternatively, neurosphere formation was enhanced by recombinant STI1 application in cells expressing PrP(C) but not in cells from Prnp(0/0) mice. The STI1-PrP(C) interaction was able to stimulate cell proliferation in the neurosphere-forming assay, while no effect on cell survival or the expression of neural markers was observed. These data suggest that the STI1-PrP(C) complex may play a critical role in neural progenitor/stem cells self-renewal via the modulation of cell proliferation, leading to the control of the stemness capacity of these cells during nervous system development. STEM CELLS 2011;29:1126-1136

Neurofibromin: a general outlook

Neurofibromin is a cytoplasmic protein that is predominantly expressed in neurons, Schwann cells, oligodendrocytes, astrocytes and leukocytes. It is encoded by the gene NF1, located on chromosome 17, at q11.2, and has different biochemical functions, including association to microtubules and participation in several signaling pathways. Alterations in this protein are responsible for a phacomatosis named neurofibromatosis type 1.

Ativação microglial, lesão da substância branca e expressão de Nogo-A em ratos submetidos à isquemia estriatal

O objetivo desta investigação foi avaliar o padrão degenerativo de diversos tratos de substância branca após lesão isquêmica estriatal, correlacionando o processo degenerativo com os padrões de ativação microglial e expressão de Nogo-A. Para isso, foi induzida isquemia focal com injeção estereotáxica de endotelina no estriado de ratos adultos, e nos animais controle apenas injetou-se solução salina estéril. Os animais foram perfundidos 3, 7, 14 e 30 dias após isquemia. O cérebro removido, pós-fixado, crioprotegido, cortado em criostato e os cortes obtidos submetidos à investigação imunoistoquímica com os seguintes anticorpos: Anti-GFAP (1:2000,Dako), Anti-Tau-1 (1:500,Chemicon), Anti-MBP (1:100,Chemicon International), Anti-Nogo A (1:100,Invitrogen), Anti-Iba1 (1:1000, WAKO), Anti-ED1 (1:500, Serotec) e Anti-MHC-II (1:100 Abcam), além da visualização do padrão lesivo com violeta de cresila. As lâminas marcadas pelos diferentes métodos foram avaliadas qualitativamente e algumas também quantitativamente (Anti-Nogo A, Anti-ED1, Anti-MHC-II e Anti-Tau-1), com contagens realizadas no estriado e no corpo caloso. Os dados foram tabulados, submetidos à análise estatística pelo teste de Tukey (p<0,05) e capturadas micrografias dos achados mais representativos. As lâminas coradas com violeta de cresila revelaram um aumento da densidade celular pela infiltração de células inflamatórias à área isquêmica, com aumento expressivo ao 7º dia. Nas lâminas imunomarcadas para GFAP foi encontrado aumento progressivo da população de astrócitos, assim como um aumento do volume celular em 7 e 14 dias. Oligondendrócitos patológicos marcados com Tau-1 tiveram pico de marcação ao 3º dia no estriado e ao 7º dia no corpo caloso, e a perda de compactação de mielina identificada pelo MBP foi melhor observada ao 14º dia, nos diferentes tratos. A ativação microglial identificada pelas diferentes imunomarcações apresentou seu pico ao 7º dia, tanto em estriado como em corpo caloso, porém no corpo caloso com um número muito menor quando comparado com o estriado. A morfologia microglial sofreu variações, sendo encontrado o fenótipo ramificado nos animais controles, assim como nos tempos precoces e tardios pós isquemia e o padrão amebóide/fagocítico ao 7º dia, coincidente com o maior número de células ativadas. A contagem de células Nogo-A + teve seu pico observado ao 3º dia no estriado, não sendo observadas no corpo caloso diferenças de expressão de Nogo-A entre 3 a 14 dias, apenas uma diminuição quando comparado a 30 dias. Sendo assim, microinjeções de ET-1 no estriado induziram conspícua perda tecidual, concomitante com ativação microglial progressiva, astrocitose, perda da imunoreatividade para proteína básica de mielina e lesão de oligodendrócitos em diversos tempos de sobrevida após isquemia focal. Estes eventos acometem alguns tratos de SB, como o corpo caloso. O estabelecimento da evolução temporal destes eventos neuropatológico é a base para estudos futuros, nos quais se deverá manipular a resposta inflamatória com intuito de minimizar estas alterações teciduais.

Cyclosporine improves remyelination in diabetic rats submitted to a gliotoxic demyelinating model in the brainstem

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Interactions between the NO-Citrulline Cycle and Brain-derived Neurotrophic Factor in Differentiation of Neural Stem Cells

The diffusible messenger NO plays multiple roles in neuroprotection, neurodegeneration, and brain plasticity. Argininosuccinate synthase (AS) is a ubiquitous enzyme in mammals and the key enzyme of the NO-citrulline cycle, because it provides the substrate L-arginine for subsequent NO synthesis by inducible, endothelial, and neuronal NO synthase (NOS). Here, we provide evidence for the participation of AS and of the NO-citrulline cycle in the progress of differentiation of neural stem cells (NSC) into neurons, astrocytes, and oligodendrocytes. AS expression and activity and neuronal NOS expression, as well as L-arginine and NOx production, increased along neural differentiation, whereas endothelial NOS expression was augmented in conditions of chronic NOS inhibition during differentiation, indicating that this NOS isoform is amenable to modulation by extracellular cues. AS and NOS inhibition caused a delay in the progress of neural differentiation, as suggested by the decreased percentage of terminally differentiated cells. On the other hand, BDNF reversed the delay of neural differentiation of NSC caused by inhibition of NOx production. Alikely cause is the lack of NO, which up-regulated p75 neurotrophin receptor expression, a receptor required for BDNF-induced differentiation of NSC. We conclude that the NO-citrulline cycle acts together with BDNF for maintaining the progress of neural differentiation.

The role of the NG2 proteoglycan in migration and characterization of the interaction with the intracellular binding partner, Syntenin

NG2 is a transmembrane proteoglycan with two N-terminal LNS domains and a C-terminal PDZ-binding motif. It is expressed in the developing and adult CNS by oligodendroglial precursor cells and subpopulations of perisynaptic glia and elsewhere by many immature cell types. In order to elucidate the functions of the protein and the heterogenous cell population which expresses it, we undertook to identify and characterise interaction partners of the molecule. The presence of the C-terminal PDZ recognition site in NG2 suggested PDZ-domain proteins as intracellular binding partners. In this work, interaction between the PDZ protein Syntenin and NG2 has been characterised. Syntenin is known to be involved in plasma membrane dynamics, metastasis and adhesion. Syntenin may thus link NG2 to the cytoskeleton, mediating migration of developing oligodendrocytes to axonal tracts prior to myelination, as well as process movement of NG2+ perisynaptic glia. NG2 is involved in cell spreading and polyclonal antibodies against NG2 inhibit the migration of immature glia and cell lines expressing the molecule. In this work we have characterised the segments of the extracellular portion of NG2 that are involved in migration. We found that the extracellular region immediately preceding the transmembrane segment is most important for cell motility. As part of this thesis, biochemical approaches to identify a trans-binding ligand interacting with the extracellular part of NG2 was also explored.

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.

Expression und Funktion der Lyn Kinase in Oligodendrozyten

Die Bildung, Aufrechterhaltung und die Funktionalität von Oligodendrozyten, den myelinisierenden Zellen des ZNS, bedarf einer präzisen Regulation von Ereignissen wie Migration, Proliferation und Differenzierung. Die Src-Kinasen spielen in vielen Signalkaskaden eine zentrale Rolle. In murinen Oligodendrozyten werden die beiden Src-Kinasen Fyn und Lyn exprimiert, diese Arbeit konzentriert sich auf die Analyse der Lyn Kinase. Es konnte die Expression von Lyn in Oligodendrozyten und Myelin in vitro und in vivo bestätigen werden, sowie die Lokalisation innerhalb und außerhalb von rafts. Je älter die Mäuse, desto weniger Lyn wird in Myelin exprimiert und desto stärker ist das verbleibende Lyn in den rafts lokalisiert. Die Aktivität von Lyn ist im Myelin 12-Tage alter Mäuse am höchsten. Synchronisation des Zellzyklus in Oli-neu Zellen zeigte eine zyklische Expression von Lyn. Transfektion aktiver und inaktiver Konstrukte machte deutlich, dass eine Lyn Aktivität die Zellausläufer Bildung, sowie die Differenzierung der Zelle, hemmt. Es konnte eine Assoziation der GluRB/C Untereinheit des AMPA Rezeptors mit Lyn nachgewiesen werden. Stimulierung des AMPA-Rezeptors mit Glutamat führte zu einer Aktivierung der Lyn Kinase und daraus resultierend, zu einer Inhibierung der Zelldifferenzierung. Welche biologische Relevanz diese Ergebnisse haben könnten, wurde in drei Hypothesen festgehalten. Zum einen könnte die Lyn Kinase den zeitlichen Übergang von Proliferation und Differenzierung in Oligodendrozyten regulieren und zwar sowohl in perinatalen oligodendroglialen Vorläuferzellen, als auch, unter besonderen Umständen, in adulten oligodendroglialen Vorläuferzellen. Des Weiteren könnte die Lyn Kinase auch eine Rolle in der Neuron-Glia-Synapsenbildung spielen. Weitere Versuche, insbesondere in vivo, müssen folgen, um diese Hypothesen zu bestätigen oder zu widerlegen.