Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Benjamin Förthmann

The molecular pathology of the neurodegenerative disease Spinal Muscular Atrophy – role of nuclear complexes and nuclear body regulation

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-103839

title (ger.)

Die molekulare Pathologie der neurodegenerativen Erkrankung Spinale Muskelatrophie – die Rolle von nukleären Komplexen und Kernkörperregulation

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/foerthmannb_ws13.pdf

abstract (deutsch)

Die Spinale Muskelatrophie (SMA), eine neurodegenerative Erkrankung, wird durch eine reduzierte Menge des Survival of Motoneuron (SMN) Proteins hervorgerufen. Welchen Einfluss das SMN Protein auf das Überleben von Motoneuronen hat, ist bislang unbekannt. Im Zellkern konzentriert sich SMN in zwei Kernkörpern: Gems und Cajal Bodies (CBs). Für die Anlagerung von SMN an Cajal Bodies ist Coilin verantwortlich, das SMN direkt bindet und ein Markerprotein von CBs darstellt. Es kommt im Zellkern vorwiegend diffus außerhalb von Cajal Bodies vor. Innerhalb der CBs sind SMN und Coilin für die Reifung kleiner nukleärer Ribonukleoproteinpartikel (snRNPs) verantwortlich. Eine zentrale Aufgabe von Cajal Bodies ist der Aufbau eines Tri-snRNPs aus drei einzelnen snRNPs, einer Untereinheit des Spliceosoms. Neben Coilin hat das SMN Protein einen weiteren Bindungspartner im Zellkern: die 23 kDa schwere Isoform des Fibroblasten-Wachstumsfaktors – 2 (FGF-223). Die Wechselwirkung von FGF-223 und SMN führt zur Destabilisierung von Gems, des zweiten Typus von Kernkörpern in denen SMN lokalisiert ist. In der vorliegenden Studie von Förthmann et al., 2013 (Chapter I) wird anhand von Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP)- und Photokonversions- Experimenten gezeigt, dass die FGF-223/SMN Komplexbildung zu einer Freisetzung von immobilem SMN an Cajal Bodies führt. Daraus resultiert eine Anhäufung von snRNPs an Cajal Bodies. Wir nehmen daher an, dass immobiles SMN eine wesentliche Funktion bei der Assemblierung von Tri-snRNPs in den CBs erfüllt. Eine bisher unveröffentlichte Studie von Förthmann et al. (Chapter II) konkretisiert, dass die Co-Expression von FGF-223 und SMN einen hemmenden Einfluss auf die FGF-223 abhängige Transkription und auf gesteigertes Neuritenwachstum durch SMN ausübt. Infolgedessen schlagen wir ein Modell vor, in dem die Bindung von FGF-223 an SMN zu einem inaktiven Komplex führt, der beide Proteinfunktionen antagonisiert. Des Weiteren gibt es deutliche Hinweise darauf, dass die neuronale Entwicklung ebenfalls durch das diffuse Coilin im Zellkern beeinflusst wird. Während der Differenzierung verringert sich die Menge von endogenem Coilin in humanen Neuroblastoma Zellen, in Übereinstimmung mit früheren Experimenten mit murinen PC12 Zellen. Die Überexpression von Coilin bedingt kürzere Neuriten, womit sich eine neue Funktion dieses Proteins in der Hemmung neuronaler Differenzierung andeutet. Während u.a. Coilin und FGF-223 Bindungspartner von SMN sind, hat FGF-223 neben SMN einen weiteren Interaktionspartner im Zellkern: den Fibroblasten-Wachstumsfaktor-Rezeptor 1 (FGFR1). Die Bindung von FGF-223 an FGFR1 verstärkt die neuronale Differenzierung, indem sie den nukleären FGFR1 Signalweg (INFS) initiiert. Dieser Signalweg aktiviert das Tyrosinhydroxylase (TH) Gen. In der Entwicklung von TH-positiven Zellen im ventralen Mittelhirn (VM) embryonaler Mäuse bildet sich aus FGFR1 und dem nukleären Rezeptor Nurr1 ein neuer Proteinkomplex, den wir in einer weiteren Studie, von Baron et al., 2012 (Chapter III) zeigen konnten. FRAP Experimente verdeutlichen den Einfluss von Nurr1 auf die Mobilität von FGFR1. In Anwesenheit von Nurr1 vergrößert sich der Anteil von langsamen, Chromatin-gebundenem FGFR1. Der TH-Promotor wird durch den FGFR1/Nurr1 Komplex aktiviert, ähnlich der Auswirkung von FGFR1/FGF-223.

Zusammenfassend lassen sich Einflüsse von nukleären Proteinkomplexen und Kernkörpern auf die neuronale Differenzierung und das Neuritenwachstum in vivo und in vitro feststellen. Anscheinend spielt die Kernstruktur eine Rolle für die Entwicklung und Differenzierung von Nervenzellen. Diese könnte einen möglichen Ansatzpunkt zur weiteren Analyse neurodegenerativer Erkrankungen und von Entwicklungsstörungen des Nervensystems darstellen.

abstract (englisch)

Spinal muscular atrophy (SMA) is a neurodegenerative disease, caused by reduced levels of the survival of motoneuron (SMN) protein. How SMN is involved in maintaining motoneuron integrity is unknown, so far. In the nucleus, SMN is associated to two compartments called nuclear gems and Cajal bodies (CBs). The binding of SMN to Cajal bodies occurs by a direct interaction with the CB marker protein coilin. Although the major amount of coilin is located diffuse in the nucleus outside of CBs, SMN and coilin are essential for maturation of small nuclear ribonucleoprotein particles (snRNPs) inside Cajal bodies. There, three single snRNPs are assembled to one tri-snRNP, a subunit of the spliceosom. Another direct binding partner of nuclear SMN is the 23 kDa isoform of fibroblast growth factor – 2 (FGF-223). The FGF-223/SMN interaction is already known to destabilize nuclear gems, the second nuclear compartment SMN is associated to. By using fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) and photoconversion experiments in the present study of Förthmann et al., 2013 (Chapter I), we have discovered that FGF-223/SMN complex formation leads to a release of immobile SMN from CBs, followed by snRNP accumulation. Thus, tri-snRNP assembly at Cajal bodies seems to be associated with immobile SMN. In an unpublished study of Förthmann et al. (Chapter II), we show that co-expression of FGF-223 and SMN inhibits both FGF-223- dependent transcription and SMN promoted neurite outgrowth. Hence, we propose a model in which FGF-223 and SMN form an inactive complex, antagonizing both protein functions. Moreover, there is evidence to suggest that neuronal differentiation is likewise affected by diffuse nucleoplasmic coilin. Endogenous coilin levels decrease during differentiation of human neuroblastoma cells (NB), as it is already pointed out for murine PC12 cells. Expression of coilin reduces neurite outgrowth, indicating a new function of this protein in inhibition of neuronal differentiation. While SMN has coilin and FGF-223 as interaction partners, among others, FGF-223 has another nuclear binding partner beside SMN: the fibroblast growth factor receptor 1 (FGFR1). FGF-223/FGFR1 interaction heightens neuronal differentiation by inducing a pathway called integrative nuclear FGFR1 signaling (INFS). The INFS activates the tyrosine hydroxylase (TH) gene. During the development of TH-positive cells in the ventral midbrain (VM) of embryonic mice, the FGFR1 builds a nuclear complex with the orphan nuclear receptor Nurr1, as we could demonstrate in the study of Baron et al., 2012 (Chapter III). FRAP experiments reveal a dynamic change: FGFR1 is slowed down by interaction with Nurr1 into a chromatin-bound fraction. The TH gene promoter is activated by FGFR1/Nurr1 complex formation, similar to the FGFR1/FGF-223 binding.

In conclusion, the regulation of the presented nuclear body and protein complexes influences neuronal differentiation and neurite outgrowth in vitro and in vivo. We assume the nuclear architecture to be relevant in differentiation processes of developing neuronal cells and therefore to be a possible target in neurodegenerative and neurodevelopmental disorders.

 

keywords

Spinale Muskelatrophie, Kernkörperregulation, Cajal Bodies; Spinal muscular atrophy, nuclear body regulation, Cajal bodies

kb

2.408