Dissertation

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

Niko Hensel

Analysis and inhibition of dysregulated pathways in a mouse model of the motoneuron disease Spinal Muscular Atrophy

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-104807

title (ger.)

Analyse und Inhibition dysregulierter Signalwege in einem Mausmodell der Motoneuron-Erkrankung Spinale Muskelatrophie

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2014

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/henseln_ss14.pdf

abstract (deutsch)

Die Spinale Muskelatrophie (SMA) ist durch eine Degeneration der α-Motoneurone im Rückenmark gekennzeichnet, welche zu einer progressiv voranschreitenden Atrophie der proximalen Muskulatur führt. Deletionen oder Mutationen im Survival of motoneuron1 (Smn1)-Gen und eine dadurch herabgesetzte Konzentrationen des SMN-Proteins führen zu dieser Krankheit. Obwohl SMA im Allgemeinen als Motoneuron-Erkrankung bezeichnet wird, sind auch andere neuronale Zellpopulationen wie zum Beispiel sympathische Nervenzellen betroffen. Auf morphologischer Ebene zeigen sich jedoch zellspezifische Unterschiede im degenerativen Muster. Während bei Motoneuronen hauptsächlich die afferenten zentralen Synapsen im Rückenmark sowie die efferenten neuromuskulären Endplatten betroffen sind, zeigen sympathische Neurone im Wesentlichen Defekte im Neuritenwachstum. Obwohl SMA auf genetischer Ebene relativ gut beschrieben ist, sind die molekularen Mechanismen, welche zu neuronalen Defekten sowie zu deren zellspezifischen Unterschieden führen, weitgehend unbekannt.

In dieser Studie beschreiben wir die zellspezifische Dysregulation zweier biochemischer Signalwege, dem Rho-Kinase (ROCK)- sowie dem Extracellular Regulated Kinase (ERK)-Signalweg, welche zu spezifischen Phänotypen in verschiedenen SMA-Modellen führt. In einem in vitro SMA-Modell sympathischer Neurone konnten wir einen Zusammenhang zwischen einem spezifischen Dysregulierungsmuster des ROCK-Signalweges, welcher die Aktin-Dynamik am neuronalen Wachstumskegel kontrolliert, mit Neuritenwachstumsdefekten herstellen. Darüber hinaus konnten wir das neuronal exprimierte Protein Profilin2a, welches sowohl an SMN als auch an ROCK bindet, als molekulare Brücke identifizieren, welche die Dysregulierungen des ROCK-Signalweges unter SMN knock-down Bedingungen vermittelt. Sowohl im Rückenmark präsymptomatischer SMA-Mäuse als auch in einem in vitro Motoneuronmodell der SMA konnten wir eine Heraufregulation des Fibroblast Growth Factor Receptor 1 (FGFR-1) zeigen, welche in der Folge zu einer Überaktivierung des FGFR-1-Zielmoleküls ERK führte. Diese ERK-Hyperaktivierung war auf Motoneuron-ähnliche Zellen beschränkt, was –im Unterschied zu SMA-Modellen sympathischer Neurone– zu verlängertem Neuritenwachstum führte. Darüber hinaus konnten wir in den Motoneuron-ähnlichen Zellen eine generelle Überaktivierung des ROCK-Signalweges zeigen, womit sich auch das Dysregulierungsmuster dieses Signalweges von demjenigen sympathischer Neurone unterschied. Interessanterweise bestand zwischen beiden Signalwegen ein bidirektionaler Informationsfluss, welcher unter SMN knock-down Bedingungen monodirektional eingeschränkt war. Da sich sowohl eine pharmakologische Inhibition des ROCK- als auch des ERK-Weges in vorangegangenen Studien an SMA-Modellmäusen als potentiell wirksame Therapieansätze erwiesen hatten, sind unsere Erkenntnisse von besonderer Relevanz für die Entwicklung zukünftiger SMA-Therapien. Zur Zeit ist noch keine Therapie für die SMA verfügbar und unsere Ergebnisse sprechen für eine kombinatorische Gabe von ROCK- und ERK-Inhibitoren als einen möglichen Behandlungsansatz.

abstract (englisch)

Spinal Muscular Atrophy (SMA) is characterized by a degeneration of lower motoneurons within the spinal cord, leading to proximal and progressive muscle weakness. The disease is caused by mutations or deletions of the human Survival of motoneuron 1 (Smn1) gene, leading to low levels of functional full-length SMN-protein. Although originally described as a motoneuron disease, other neuronal cell types such as sympathetic neurons display defects in SMA. However, morphological phenotypes differ between both neuronal subtypes. While motoneurons mainly exhibit synaptic defects at afferent central synapses as well as efferent neuromuscular junctions, neuronal outgrowth defects are the main feature of sympathetic nerve dysfunction in SMA. Although SMA is well described on the genetical level, the molecular mechanisms of degeneration leading to cell specific phenotypes still remain unknown.

Here we report the cell specific dysregulation of two biochemical signalling pathways, the rho-kinase (ROCK) and the extracellular regulated kinase (ERK) pathways, leading to distinct outcomes in different SMA model systems. In a sympathetic-like in vitro SMA model, neurite outgrowth defects could be linked with a specific dysregulation pattern of the ROCK-pathway, an upstream regulator of actin dynamics at the neuronal growth cone. We could further elucidate the molecular mechanism where neuronal expressed protein profilin2a serves as a molecular bridge between the SMN- and the ROCK-protein, leading to ROCK-pathway dysregulations under SMN knock-down. In spinal cords of pre-symptomatic SMA-mice as well as in a motoneuron-like in vitro model of SMA we reported an upregulation of the fibroblast growth factor receptor 1 (FGFR-1) leading to a subsequent hyper-activation of its downstream kinase ERK. This upregulation of ERK-activity was, however, restricted to motoneuron-like cells and resulted in an enhanced neurite outgrowth contrasting the behaviour of sympathetic-like cells. Moreover, we showed a general up-regulation of ROCK activity in motoneuron-like cells, a dysregulation pattern distinct from the pattern reported for sympathetic-like cells. We additionally reported a bi-directional information flow between both pathways restricted to a mono-directional crosstalk in SMA. As inhibition of ROCK- or ERK-pathway have been previously identified as potential SMA-treatment strategies in SMA-model mice, our identification of a new ROCK-ERK signalling axis has important implications for future treatment strategies and argues in favour of a combinatorial approach of ROCK- and ERK-inhibition in SMA.

keywords

Motoneuronerkrankung, SMA, Therapie, ROCK, ERK, SMA

kb

5.304