Authors:	Zimmermann, Tina
Title:	Deciphering application potentials and basic principles of neural stem cells - implications for BDNF and CB1
Online publication date:	19-Apr-2017
Year of first publication:	2017
Language:	english
Abstract:	Stem cells have the remarkable potential to differentiate into multiple cell types during early embryogenesis and adulthood. Given their unique regenerative abilities, stem cells offer new potentials for treating neurodegenerative diseases, such as Huntington’s disease (HD). In addition, much work is also needed to detail mechanisms underlying the regulation of neural stem cells (NSCs) in the adult brain and to investigate neuropsychiatric diseases in the context of NSC regulation. HD is characterized by fatal motoric failures induced by loss of striatal medium spiny neurons. Neuronal cell death has been linked to impaired expression and axonal transport of the neurotrophin BDNF (brain-derived neurotrophic factor). By transplanting embryonic stem cell-derived neural progenitors overexpressing BDNF, we combined cell replacement and BDNF supply as a potential HD therapy approach. Transplantation of purified neural progenitors was analyzed in a quinolinic acid (QA) induced and two genetic HD mouse models (R6/2 and N171-82Q) on the basis of distinct behavioral parameters, including CatWalk gait analysis. Explicit rescue of motor function by BDNF-overexpressing neural progenitors was found in QA-lesioned mice, whereas genetic mouse models displayed only minor improvements. Tumor formation was absent, and regeneration was attributed to enhanced striatal neuron differentiation. Additionally, adult neurogenesis was preserved in a BDNF-dependent manner. Our findings provide significant insight for establishing therapeutic strategies for HD to ameliorate neurodegenerative symptoms. Adult born neurons in the subgranular zone (SGZ) of the dentate gyrus (DG) are continuously generated and incorporated in the hippocampal neuronal circuitry, yet the molecular mechanism of this process remains still unclear. Adult NSCs contain a functional endocannabinoid system. Endocannabinoids are endogenous lipids, which can bind to and activate the cannabinoid type 1 (CB1) receptor, thereby eliciting multiple cellular responses such as inhibition of neurotransmitter release and activation of different intracellular signaling cascades. To address the direct role of CB1 receptor expressing adult NSCs in vivo, we generated the triple-transgenic nestin-CreERT2/R26-STOP-YFP/CB1flox/flox mouse line. Tamoxifen injections induced deletion of the CB1 receptor and expression of yellow fluorescent protein (YFP) specifically in adult nestin-expressing stem cells and their progeny. We found that neural stem cell-specific deletion of the CB1 receptor led to a decrease in neural stem cell proliferation in the dentate gyrus as reflected by a decreased number of YFP+ and BrdU+ cells. In contrast, the differentiation potential of targeted NSCs was not shifted towards a specific neural lineage. By recording field excitatory postsynaptic potentials in the DG and cornu ammonis 1 (CA1) region, we found that mice with CB1 deficiency specifically in adult-born neurons displayed an impaired long-term potentiation. Furthermore, lack of functional CB1 receptor in NSCs led to a decrease in short-term spatial memory. Additionally, CB1-deficient animals showed an increase in depressive-like behavior. The present study shows that the proliferation of newborn neurons critically depends on CB1 receptor function, reflecting their importance in synaptic transmission processes and their involvement on the behavioral level. Stammzellen besitzen die außergewöhnliche Fähigkeit, sich während der Embryogenese oder im Adultstadium in verschiedenste Zelltypen des Körpers zu entwickeln. Aufgrund ihrer einzigartigen regenerativen Eigenschaften können sie als neue Behandlungsmöglichkeiten für neurodegenerative Erkrankungen, wie z.B. die Huntington’sche Erkrankung (Huntington’s disease, HD), dienen. Ein weiteres großes aktuelles Forschungsgebiet umfasst die Aufklärung der molekularen Regulationsmechanismen neuraler Stammzellen im adulten Gehirn. Dies dient u.a. dazu, die Grundlagen neuropsychiatrischer Erkrankungen im Kontext der Stammzellregulation zu erforschen. HD ist durch schwerwiegende motorische Störungen charakterisiert, induziert durch das Absterben striataler „medium spiny“ Neurone. Der genaue Auslöser des neuronalen Zelltods ist bislang weitgehend ungeklärt; allerdings wurde er mit einer reduzierten Expression und einem verringertem axonalen Transport des Neurotrophins BDNF (brain-derived neurotrophic factor) in Verbindung gebracht. In der hier vorliegenden Arbeit wurden Zellersatz und BDNF-Versorgung als potentieller HD Therapieansatz kombiniert. Hierfür wurden aus embryonalen Stammzellen abstammende neuronale Vorläuferzellen, die BDNF überexprimieren, in drei verschiedene HD Mausmodelle transplantiert. Nachfolgend wurden die Auswirkungen der transplantierten Zellen auf das motorische Verhalten im exzitotoxischen Quinolinsäure (quinolinic acid, QA) Mausmodell und in zwei genetischen Mausmodellen (R6/2 und N171-82Q) auf Basis bestimmter Verhaltensparameter, inklusive Gangparameter Analyse mit „CatWalk“ analysiert. Eine eindeutige „Rettung“ der motorischen Funktion durch BDNF-neuronale Progenitoren wurde in QA-läsionierten Mäusen gefunden, wohingegen die genetischen Mausmodelle nur geringe Verbesserungen zeigten. Histopathologisch wurde eine gesteigerte striatale Differenzierung der BDNF-überexprimierenden Zellen beobachtet, welche die im Vergleich zu Kontrollen erhöhte motorische Regeneration erklärt. Zusätzlich wurde die adulte Neurogenese in einer BDNF-abhängigen Weise erhalten. Ein weiteres wichtiges Charakteristikum der hier angewendeten Stammzelltherapie ist, dass keine Tumorentstehung oder entartetes Zellwachstum beobachtet wurden. Insgesamt liefern unsere Ergebnisse wichtige Erkenntnisse für die Etablierung therapeutischer Strategien für HD, um neurodegenerative Symptome zu lindern. In der subgranularen Zone (SGZ) des adulten Gyrus Dentatus (DG) werden kontinuierlich neue Neurone generiert und in die hippokampalen Schaltkreise integriert, jedoch ist der molekulare Mechanismus dieses Prozesses weitgehend unklar. Wie die meisten Neurone besitzen adulte neurale Stammzellen (neural stem cells, NSCs) ein funktionelles Endocannabinoid-System. Endocannabinoide sind endogene Lipide, die an den Cannabinoid Typ 1 (CB1)-Rezeptor binden und diesen aktivieren können, wodurch multiple zelluläre Reaktionen wie die Hemmung der Neurotransmitter-Freisetzung und eine Aktivierung verschiedener intrazellulärer Signalkaskaden hervorgerufen werden können. In der hier vorliegenden Arbeit wurde die dreifach transgene Mauslinie nestin-CreERT2/R26-STOP-YFP/CB1flox/flox generiert, um die direkte Rolle des CB1-Rezeptors, der in adulten neuralen Stammzellen exprimiert wird, zu untersuchen. Durch Tamoxifen-Injektion kam es zur induzierten Deletion des CB1-Rezeptorgens und der Expression von gelbem Fluoreszenzprotein (YFP) spezifisch in adulten Nestin-exprimierenden Stammzellen und deren zellulären Nachkommen. Die neurale stammzellspezifische Inaktivierung des CB1-Rezeptors führte zu einer Abnahme der YFP- und BrdU-positiven Zellen und damit zu einer Abnahme der neuralen Stammzellproliferation im DG. Im Gegensatz dazu wurde das Differenzierungspotential der rekombinierten NSCs nicht in eine spezifische neurale Differenzierungsrichtung verschoben. Durch elektrophysiologische Messungen von Feld-exzitatorischen postsynaptischen Potentialen in der DG- und Cornu Ammonis 1 (CA1) Region wurde beobachtet, dass Mäuse mit einer spezifischen CB1-Rezeptor-Defizienz in adult-geborenen Neuronen eine beeinträchtigte Langzeitpotenzierung zeigten. Darüber hinaus führte der Mangel an funktionellem CB1-Rezeptor in adulten Stammzellen zu einer Abnahme des kurzzeitigen räumlichen Gedächtnisses. Zusätzlich zeigten CB1-Rezeptor-defiziente Tiere eine Zunahme depressionsähnlichen Verhaltens. Die vorliegende Studie zeigt, dass die Proliferation von neugeborenen Neuronen entscheidend von der Funktionalität des CB1-Rezeptors abhängt, welches ihre Bedeutung für synaptische Übertragungsprozesse und ihre Beteiligung auf der Verhaltensebene widerspiegelt.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 04 Medizin
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3871
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000012562
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	IV, 137 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen