Dissertation

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

 

Tim Kröcher

 

Role of polysialic acid in the genesis of GABAergic neurons of the cerebral cortex and for thalamocortical connectivity

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-103212

title (ger.)

Die Rolle von Polysialinsäure in der Entstehung von GABAergen Neuronen der Großhirnrinde und für die thalamokortikale Konnektivität

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/kroechert_ss13.pdf

abstract (deutsch)

Die posttranslationale Modifikation des Neuralen Zelladhäsionsmoleküls NCAM mit Polysialinsäure (PolySia) durch die Polysialyltransferasen (PolySTs) ST8SIA2 und ST8SIA4 ist ein bestimmender Faktor in der Entwicklung des Nervensystems. Eine Deregulierung dieses Systems wird mit Schizophrenie in Verbindung gebracht und Mäuse mit anormaler Polysialylierung oder veränderter Expression von NCAM weisen neuroanatomische Defekte auf, die an Befunde in Patienten erinnern. Die vorliegende Arbeit besteht aus drei Teilen und beschäftigt sich mit (i) dem Einfluss von PolySia auf ausgewählte Populationen von Interneuronen in Gehirnregionen, die für die Pathophysiologie von Schizophrenie relevant sind, (ii) der Rolle von PolySia für die Migration kortikaler Interneuronen und (iii) der Entwicklung eines Schizophrenie-ähnlichen Phänotyps in PolySia-defizienten Mäusen.

Im ersten Teil dieser Dissertation wurden Zelldichten von Interneuronen im medialen Präfrontalen Kortex (PFC), im Hippocampus und im Olfaktorischen Bulbus von Mäusen mit unterschiedlichen Kombinationen aus Ncam1- und PolyST-Deletionen analysiert. Im medialen PFC aller NCAM- oder PolySia-defizienten Linien wurden reduzierte Dichten der Interneuronen beobachtet, die entweder für Perineuronale Netze und Parvalbumin positiv, aber Calbindin-negativ, oder Somatostatin-positiv sind. Andere Interneurontypen waren nicht betroffen. In PolyST-negativen Linien wurden zudem Anzeichen für eine gestörte tangentiale Migration kortikaler Interneuron-Vorläufer festgestellt, welche diese Veränderungen verursachen könnte. Entsprechend der gut untersuchten Migrationsdefizite von Interneuron-Vorläufern des Olfaktorischen Bulbus wurde eine Abnahme von Calbindin-positiven Zellen im Olfaktorischen Bulbus aller PolySia-defizienten Mäuse beobachtet. Im Gegensatz dazu war die Dichte der Parvalbumin-positiven Zellen im Hippocampus erhöht. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass ein Verlust von NCAM-gebundener PolySia zu pathologischen Veränderungen spezieller Interneurontypen führt.

Der zweite Teil beschäftigt sich mit möglichen Mechanismen, die zu reduzierten Zelldichten von Parvalbumin- und Somatostatin-positiven Interneuronen im PFC polySia-defizienter Mäuse führen könnten. Durch Analyse von PolyST-negativen Mäusen mit genetisch markierten Interneuronen konnte der zuvor vermutete Verlust von Interneuronen bestätigt werden. In ST8SIA2- oder ST8SIA4-defizienten Embryonen wurden reduzierte Mengen an PolySia im Bereich der Interneuron-Migration vom medialen Ganglionhügel in den Kortex festgestellt. Zeitrafferaufnahmen in Gewebekulturen zeigten eine verringerte Geschwindigkeit migrierender Interneuronen, wenn PolySia mittels Endosialidase enzymatisch entfernt wurde. Die Migration von Interneuronen aus ST8SIA2-defizienten Explantaten der MGE in ko-kultiviertes Palliumgewebe des Wildtyps war ebenfalls beeinträchtigt. Dies verdeutlicht, dass polySia auf den Interneuronen selbst die Migration beeinflusst. Enzymatisches Entfernen von PolySia in Gewebekulturen bewirkte zudem eine Verkürzung der führenden Fortsätze (leading process) migrierender Interneurone. Der gleiche Effekt wurde in Primärkulturen isolierter Interneuronen beobachtet. Dies lässt auf einen zellautonomen Mechanismus der PolySia-abhängigen Migration von Interneuronen schließen. Ein Mangel an PolySia hemmt demnach die Migration kortikaler Interneuronen. Dies deutet auf eine mögliche Verbindung von genetischer Variation der PolyST-Gene mit gestörter  Hirnentwicklung und Fehlfunktionen von Interneuronen in neuropsychiatrischen Erkrankungen hin.

Im dritten Teil dieser Dissertation wurden ST8SIA2- und ST8SIA4-defiziente Mäuse neuroanatomisch und, in Zusammenarbeit mit dem Labor von A. Zharkovsky (Univ. Tartu, Estland), hinsichtlich kognitiven und sensorischen Verhaltens untersucht. ST8SIA2-defiziente Mäuse zeigten vergrößerte Ventrikel, einen verkleinerten Thalamus und eine kleinere Interne Kapsel, sowie einen hochgradig ungeordneten Verlauf der Fasern, die den Thalamus und Kortex verbinden. Im frontalen Kortex ST8SIA2-defizienter Mäuse wurden zudem reduzierte Mengen des vesikulären Glutamat-Transporters VGLUT2 nachgewiesen. Dies lässt auf eine Beeinträchtigung glutamaterger thalamokortikaler Projektionen in den frontalen Kortex schließen. Das Wiedererkennungsgedächtnis war in beiden Linien beeinflusst, jedoch zeigten nur ST8SIA2-defiziente Mäuse Beeinträchtigungen des Arbeitsgedächtnisses, Defizite in der Präpuls-Inhibition, welche durch Behandlung mit Clozapin abgemildert werden konnten, sowie anhedonisches Verhalten und gesteigerte Sensitivität gegenüber Amphetamin-induzierter lokomotorischer Aktivität. Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass reduzierte PolySia-Synthese in ST8SIA2-negativen Mäusen zu Defiziten der thalamokortikalen Konnektivität und zu einem Schizophrenie-ähnlichen Verhalten führt. Fehlregulation der ST8SIA2 könnte demnach zu Störungen der Gehirnentwicklung und hierüber zu einer Prädisposition für Schizophrenie führen.

 

abstract (englisch)

Posttranslational addition of polysialic acid (polySia) by the polysialyltransferases (polySTs) ST8SIA2 and ST8SIA4 is a unique and prominent modification of the neural cell adhesion molecule NCAM and a major determinant of nervous system development. Dysregulation of this system has been linked to schizophrenia and mice with aberrant polysialylation or NCAM expression show neuroanatomical defects reminiscent to observations in patients. The present work consists of three parts dealing with (i) the impact of polySia on selected interneuron populations in brain regions relevant to the pathophysiology of schizophrenia, (ii) the role of polySia for the migration of cortical interneurons and (iii) the development of a schizophrenia-like phenotype in polySia-deficient mice.

In the first part, interneuron densities were analyzed in the medial prefrontal cortex (PFC), the hippocampus and the olfactory bulb of mice with differently combined Ncam1 and polyST deletions. Pronounced reductions of specifically the perineuronal net- and parvalbumin (PV)-positive, calbindin-negative and the somatostatin (Sst)-positive interneurons were detected in the medial PFC of all NCAM- or polySia-deficient lines, whereas other types of interneurons were unaffected. Disturbed patterns of tangentially migrating cortical interneuron precursors were observed in polyST-negative lines indicating that migration deficits may cause these alterations. Corresponding to the well-described migration deficits of olfactory interneuron precursors, reductions of calbindin-positive cells were found in the olfactory bulb of all polySia-deficient lines. In contrast, PV-positive cell densities were increased in the hippocampus. Together, these findings demonstrate that attenuation of NCAM-bound polySia causes pathological changes of specific interneuron subtypes.

The second part deals with the mechanisms leading to reduced densities of PV- and Sst-positive interneurons in the PFC. The assumed loss of interneurons was corroborated by analyzing polyST-negative mice with genetically labeled interneurons. In ST8SIA2- or ST8SIA4-deficient mouse embryos, reduced levels of polySia were detected in the area of interneuron migration from the medial ganglionic eminence (MGE) into the cortex. Time lapse recordings revealed significantly reduced velocities in slice cultures that have been treated with endosialidase to remove polySia. Compromised migration of interneurons from ST8SIA2-deficient MGE explants into co-cultured wildtype pallium indicated that levels of polySia on the migrating interneurons themselves are critical. Furthermore shorter leading processes of migratory interneurons were observed after enzymatic removal of polySia in slices. The same effect was observed in primary cultures of isolated interneurons suggesting a cell-autonomous mechanism of polySia-dependent interneuron migration. Thus, reduced polySia levels impede the migration of cortical interneurons. This provides a possible link between genetic variation of polyST genes, neurodevelopmental alterations and interneuron dysfunction as observed in neuropsychiatric disease.

In the third part of my thesis, mice deficient for ST8SIA2 (St8sia2-/-) or ST8SIA4 (St8sia4-/-) were assessed neuroanatomically and, in a collaborative effort with the laboratory of A. Zharkovsky (Univ. Tartu, Estonia), subjected to tests of cognition and sensory functions. St8sia2-/- but not St8sia4-/- mice displayed enlarged lateral ventricles, a size reduction of the thalamus accompanied by a smaller internal capsule and a highly disorganized pattern of fibers connecting thalamus and cortex. Reduced levels of the vesicular glutamate transporter VGLUT2 were detected in St8sia2-/- mice, implicating a compromised glutamatergic thalamocortical input into the frontal cortex. Recognition memory was impaired in St8sia2-/- and in St8sia4-/- mice, but only St8sia2-/- mice displayed impaired working memory, deficits in prepulse inhibition, which could be attenuated by clozapine treatment, as well as anhedonic behavior and increased sensitivity to amphetamine-induced hyperlocomotion. These data indicate that reduced polysialylation in St8sia2-/- mice causes deficits in thalamocortical connectivity and a schizophrenia-like behavior. We therefore propose that ST8SIA2 deficiency has the potential to cause a neurodevelopmental predisposition to schizophrenia.

 

keywords

Polysialinsäure, Interneurone, thalamokortikale Konnektivität, Polysialic acid,  interneurons, thalamocortical connectivity

kb

33.792