Die Rolle von gp130-assoziierten Zytokinen bei der Regulation der adulten Neurogenese
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt beschäftigte sich mit der Frage der Regulation von Selbsterneuerung und Differenzierung adulter neuraler Stammzellen. In Vorarbeiten hatte sich gezeigt, dass CNTF, ein neurotrophes Zytokin aus der IL-6 Familie, eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des Pools an neuralen Stammzellen im adulten Gehirn spielt. Ein naher verwandter Vertreter dieser Zytokinfamilie, LIF, erfüllt in embryonalen Stammzellen eine ähnliche Aufgabe, in dem er diese Zellen im undifferenzierten Zustand erhält und proliferieren lässt. Die Vorarbeiten hatten auch gezeigt, dass CNTF in einem in vitro Modell neuraler Stammzellen, der Kultur von Neurosphären, eine zusätzliche Funktion hat: er fördert die Entwicklung bipotenter, neuroglialer Vorläuferzellen. Einerseits sollte mit den geplanten Arbeiten ein besseres Verständnis der molekularen Mechanismen erzielt werden, über die CNTF in neuralen Stammzellen wirkt, andererseits sollte versucht werden, die eigentlichen neuralen Stammzellen, die in den Kulturen nur zu einem sehr geringen Prozentsatz vorkommen, zu isolieren. In der Ausgangshypothese wurde angenommen, dass CNTF für neurale Stammzellen eine ähnliche Rolle spielt, wie LIF für embryonale Stammzellen. Deshalb sollten Subpopulationen von Zellen, die anhand verschiedener Marker aus der heterogenen Gesamtpopulation isoliert wurden, auf ihr Verhalten bei Kultur mit CNTF untersucht werden. Wir gingen davon aus, dass Populationen von Zellen identifiziert werden können, die in Anwesenheit von CNTF undifferenziert bleiben und proliferieren können. Diese Annahme bestätigte sich aber nicht. Das Bild das sich im Lauf der Versuche abzeichnete, deutet darauf hin, dass die Stammzelleigenschaften der Zellen, z.B. die Fähigkeit sekundäre Neurosphären zu bilden, bzw. die Expression von stammzell-typischen Genen erhalten bleibt, dass aber darüber hinaus eine weitere Eigenschaft von Stammzellen, nämlich sich nur langsam zu teilen, auch erhalten bleibt. Wenn dann Subpopulationen von gereinigten Zellen wieder mit den üblicherweise verwendeten Mitogenen EGF und bFGF in Verbindung mit CNTF kultiviert werden entstehen neurogliale Vorläuferzellen, die zusätzliche, noch unbekannte, Signale brauchen, um vollständig zu Astrozyten oder Neuronen ausdifferenzieren zu können. Wir konnten aber zeigen, dass die 'Vordifferenzierung' dieser Progenitoren durch CNTF z.T. erhalten bleibt und nach Entzug der Mitogene ein größerer Anteil an Zellen zu postmitotischen Neuronen differenziert. Dies stellt einen ersten Schritt in Richtung Steuerung der Differenzierung zu Neuronen dar. Anders als in vivo, differenziert nämlich in vitro unter Standardbedingungen nur ein geringer Teil der Zellen zu Neuronen. Dies deutet darauf hin, dass die dafür nötigen Faktoren im in vitro System fehlen. In zukünftigen Arbeiten mit durch CNTF neuronal geprägten Zellen, könnten solche Faktoren identifiziert werden. Ein weitere Schwerpunkt der Arbeiten war die Identifizierung und Charakterisierung der Signaltransduktionswege, über die CNTF seine duale Wirkung vermittelt. Durch die Verwendung von Zellen verschiedener Mausmutanten mit Mutationen in den in Frage kommenden Signaltransduktionswegen, durch pharmakologische Untersuchungen sowie durch den Einsatz von siRNA bzw. virale exprimierter shRNA, konnten wir zeigen, dass für alle von uns untersuchten Wirkungen von CNTF der JAK/STAT3-Weg eine entscheidende Rolle spielt. Eine Beteiligung der beiden anderen in Frage kommenden Wege (PI3K/AKT, MAPK) konnte dadurch ziemlich sicher ausgeschlossen werden. Durch Genexpressionsanalysen von Kontroll- und CNTF-stimulierten Zellen konnte schließlich eine Vielzahl neuer, vermutlich direkter Zielgene identifiziert werden, unter denen sich neben einer Reihe interessanter Signalmoleküle auch Transkriptionsfaktoren befinden, deren weitere Untersuchung dazu beitragen kann, die eingangs erwähnten Grundfragen weiter zu untersuchen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Involvement of gp130-associated cytokine signaling in Müller cell activation following optic nerve lesion. Glia, 2010; 58 (7): 768-779
Kirsch M., Trautmann N., Ernst M., Hofmann H.D.
- CNTF-mediated preactivation of astrocytes attenuates neuronal damage and epileptiform activity in experimental epilepsy. Exp Neurol, 2012; 236: 141-150
Bechstein M., Häussler U., Neef M., Hofmann HD, Kirsch M., Haas C.A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.expneurol.2012.04.009) - Functional inactivation of the genome-wide association study obesity gene neuronal growth regulator 1 in mice causes a body mass phenotype. Plos One, 2012; 7 (7)
Lee AW, Hengstler H, Schwald K, Berriel-Diaz M, Loreth D, Kirsch M, Kretz O, Haas CA, de Angelis MH, Herzig S, Brümmendorf T, Klingenspor M, Rathjen FG, Rozman J, Nicholson G, Cox RD, Schäfer MK
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pone.0041537) - JAK2-STAT3 signaling: A novel function and a novel mechanism. JAK-STAT, 2012; 1: 191-193
Hofmann H.D., Kirsch M.
