Authors:	Arlt, Annabelle
Title:	Molekulare Mechanismen der Gehirnfunktion bei mTOR-defizienten genetischen Syndromen mit kognitiven Störungen
Online publication date:	18-Apr-2019
Year of first publication:	2019
Language:	german
Abstract:	Tuberöse Sklerose (TS) ist eine autosomal-dominante Erbkrankheit, die durch Mutationen in dem TSC1- oder TSC2-Gen verursacht wird. Mutationen in diesen Genen führen zu einer erhöhten Aktivität des mechanistic target of rapamycin (mTOR)-Signalwegs und in Folge zu einer Hochregulierung der downstream-Signalkaskade. Der mTOR-Signalweg ist ein wichtiger Regulator der lokalen Proteintranslation im postsynaptischen Kompartiment des Gehirns und steuert die Synthese von Proteinen, die an der synaptischen Plastizität beteiligt sind. Weiterhin wird die mTOR-Signalkaskade in Zusammenhang mit Stressverarbeitung und mentaler Resilienz diskutiert. Intelligenzminderung, Autismus, Epilepsie und gutartige Tumore in verschiedenen Organsystemen sind charakteristische Merkmale der TS. Über die molekularen Mechanismen, die dem mentalen Erscheinungsbild zugrunde liegen, ist noch wenig bekannt. Um zunächst die Entwicklung neurologischer Symptome von TS zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Doktorarbeit das konstitutive, heterozygote Tsc2 knockout Mausmodell verwendet, welches die Heterozygotie der TSC2-Mutationen von TS-Patienten simuliert. Der Hypothese zufolge, dass die Entwicklung der neurologischen Symptome ein gradueller, progressiver Prozess ist, wurden die Tsc2+/--Mäuse in unterschiedlichen Altersgruppen untersucht und in Verhaltensbatterien analysiert, die zum einen Fähigkeiten des Sozialverhaltens und zum anderen kognitive Leistungen messen. Darüber hinaus durchliefen die Tsc2+/--Mäuse verschiedene Verhaltenstests, nachdem sie chronisch-sozialem Stress (CSS) ausgesetzt wurden. Die in dieser Dissertation erlangten Daten zeigen, dass Tsc2+/--Mäuse (i) autistische Verhaltensmuster und kognitive Defizite schrittweise entwickeln und, dass (ii) den kognitiven Defiziten eine defizitäre Gedächtniskonsolidierung zugrunde liegt. Weiterhin wurde gezeigt, dass (iii) CSS den Tsc2+/--Phänotypen beeinflusst. Vorangegangene Versuche, die über elektrophysiologische und proteinanalytische Methoden erlangt wurden, geben einen deutlichen Hinweis darauf, dass der sich schrittweise entwickelnde TS-Phänotyp aus ersten neuronalen Veränderungen während der sehr frühen Gehirnentwicklung resultieren könnte, die sich über die Zeit summieren und sich zunehmend pathologisch auf neuronale Netzwerke auswirken. Um die biochemischen Mechanismen der betroffenen Gehirnregionen von älteren Tsc2+/--Mäuse zu untersuchen, wurden im Rahmen dieser Doktorarbeit Proteinanalysen der mTOR-Signalkaskade und Expressionsstudien von aktivitätsabhängigen immediate early genes (IEGs) durchgeführt. Die Resultate zeigen sowohl eine (i) Kompensation als auch eine (ii) Akkumulation von Proteinen des mTOR-Signalwegs sowie eine (iii) reduzierte Expression von IEGs in Gehirnregionen, die in die Gedächtniskonsolidierung involviert sind, und schaffen somit eine Grundlage, um die späte Entwicklung der autistischen Verhaltensmuster und auch die sehr spät eintretende defizitäre Gedächtniskonsolidierung der Tsc2+/--Mauslinie zu erklären. Die erlangten Ergebnisse stellen die bislang veröffentlichten Daten zum Teil in Frage und eröffnen neue Perspektiven für translationale Forschungsansätze. In weiterführenden Studien werden die Tsc2+/--Mäuse in einem sehr frühen Entwicklungsstadium mit dem Wirkstoff Vigabatrin behandelt, der die Aktivität der mTOR-Signalkaskade hemmt. Die behandelten Versuchsmäuse und deren Kontrolltiere sollen erneut in unterschiedlichen Altersgruppen in ihrem Verhalten getestet werden. Weiterhin sollen die Auswirkungen von early life stress auf das Tsc2+/--Mausmodell untersucht und die molekularen Mechanismen der Auswirkungen von CSS auf ältere Tsc2+/--Mäuse analysiert werden. Darüber hinaus sind nicht nur projektionsanalytische Verfahren mit älteren Tsc2+/--Mäuse geplant, sondern es sollen auch spezifische Verhaltenstests und funktionelle Magnetresonanztomographien bei Kindern mit TS durchgeführt werden, um die Defizite in der Gedächtniskonsolidierung näher zu charakterisieren und die hippocampalen-cortikalen Projektionen zu analysieren. Tuberous Sclerosis (TS) is an autosomal dominant genetic disease caused by mutations in either the TSC1 or the TSC2 gene. Mutations are thought to result in an increase of mechanistic target of rapamycin (mTOR) activity and an upregulation of downstream signaling. The mTOR kinase is the most important regulator of local protein translation in the postsynaptic compartment in the brain and controls the synthesis of several proteins involved in synaptic function and plasticity. The mTOR pathway is also supposed to be a key player in stress reaction and mental resilience. Intellectual disability (ID), autism, epilepsy and benign tumors in several organic systems are characteristic features of TS. However, not much is known about the neurophysiological mechanisms underlying ID and autism in TS patients. To investigate the development and mechanisms of neurological symptoms in TS, a heterozygous Tsc2 knockout mouse model was used that resembles the heterozygosity of TSC2 mutations in TS patients. Following the hypothesis, that the development of TS is a gradual, progressive process, heterozygous Tsc2 knockout mice of different ages were analyzed in a behavior battery measuring different domains of cognition and social behavior. Furthermore, Tsc2+/- mice went though different behavior tests after a chronic social defeat paradigm. The behavior data of this work show that autistic features and ID in TS (i) develops over time, that (ii) ID is caused by deficits in memory consolidation and that (iii) chronic social defeat influences the phenotype of Tsc2+/- mice. Previous electrophysiological studies and protein analysis demonstrate a clear evidence that the late TS phenotype results from the number of very early changes in neurodevelopment which accumulate with time and cause subtle pathology in neuronal networks. In order to get a deeper insight into the biochemical mechanisms and affected brain regions of older Tsc2+/- mice, protein expression analysis and expression studies of activity-dependent immediate early genes (IEGs) were performed. The results show (i) a compensatory effect as well as (ii) an accumulation of mTOR pathway proteins with time and (iii) a decreased expression of IEG´s in brain regions involved in memory consolidation. These results pave the way to an understanding of the development of late-onset autistic features and the very late onset of deficits in memory consolidation in the heterozygous Tsc2 knockout mouse model. With this data in mind, Tsc2+/- mice will be treated with the mTOR pathway inhibitor Vigabatrin in very early stages of brain development and will be tested in social interaction and cognition tests. Furthermore, the effects of early life stress on the Tsc2+/- mouse model will be investigated and the molecular mechanisms of the impact of chronic social defeat on older Tsc2+/- mice will be analyzed. Besides projection analysis in older Tsc2+/- mice, specific behavioral testing and functional magnetic resonance imaging will be performed in TS children to further characterize the deficits in memory consolidation and to specifically analyze the hippocampal-cortical projections.
DDC:	610 Medizin 610 Medical sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 04 Medizin
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4817
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000027318
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	IX, 144 Blätter
Appears in collections:	JGU-Publikationen