Dissertation

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

Barbara Beate Rosa Raddatz

Transcriptional analysis of the

glial cell differentiation in the

diseased and normal central

nervous system

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-106774

title (ger.)

Transkriptionale Analyse der glialen Differenzierung im erkrankten und normalen zentralen Nervensystem

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/raddatzb_ss15.pdf

abstract (deutsch)

Das Hauptziel der Forschung bei demyelinisierenden Erkrankungen ist es, die molekularen Grundlagen der Krankheiten zu erkennen um diese für zukünftige Therapieansätze nutzen zu können. Transkriptom-Analysen stellen ein wichtiges Instrument für diese Grundlagenforschung dar und führten in den vergangenen Jahren zu fundamentalen Erkenntnissen bezüglich der komplexen Vorgänge bei diversen Erkrankungen des zentralen Nervensystems. Doch neue Verfahren der statistischen, explorativen Datenanalyse heben die Bedeutung von Hintergrundinformationen zur verbesserten Identifizierung von Mustern und Trends hervor. Die Berücksichtigung von Zusatzinformation aus Studien am gesunden Organismus und im Tiermodel der Erkrankung stellt somit eine wichtige Methode für die Identifizierung kausaler Gene und Signalwege in der Pathogenese der Erkrankung im Menschen dar.

Aus diesem Grund bezieht sich der erste Teil der vorliegenden Studie auf die genaue Beschreibung der oligodendrozytären Differenzierung und Myelinisierung während der Entwicklung des zentralen Nervensystems. Die Myelinisierung des Rückenmarks der Maus beginnt erst nach der Geburt und stellt somit ein gutes Model-System zur Untersuchung der zentralnervösen Myelinisierung der Säugetiere in vivo dar. Mittels Oligonukleotid-Microarrays wurde eine detaillierte, explorative Analyse des Transkriptoms des postnatalen, murinen Rückenmarks vom Tag 0 bis Tag 231 nach der Geburt durchgeführt. Durch diese Untersuchung wurden unter den hochsignifikanten, bekannten Myelin-Genen 8 Gene identifiziert, deren Funktionen während der Myeliniserung des zentralen Nervensystems nicht bekannt sind. Des Weiteren wurden den unterschiedlichen Entwickungsstadien bestimmte biologische Prozesse zugeordnet und deren Bedeutung in den verschiedenen Perioden der postnatalen Reifung beschrieben. Die Anzahl der Gene mit einer Zugehörigkeit zu den Gen-Ontologie (GO)-Kategorien Myelinisierung und Lipid-Metabolismus war signifikant erhöht, die Anzahl der Gene mit einer Zugehörigkeit zu den GO-Kategorien Neurogenese und Axonogenese war signifikant erniedrigt. Gene in den Marker-Gen-Signaturen für neurale Stammzellen, oligodendrozytäre Vorläuferzellen und unreife Astrozyten zeigten eine kontinuierliche Verminderung, Gene für myelinisierende Oligodendrozyten und reife Astrozyten wiesen dagegen einen stetigen Anstieg in ihren Expressionswerten auf.

Der zweite Teil der Studie zielte auf die Identifizierung hoch konservierter und funktionell wichtiger molekularer Prozesse bei demyelinisierenden Erkrankungen ab. Die gemeinsame Analyse von Daten aus Multiple Sklerose-Studien und Studien aus Tiermodellen der Multiplen Sklerose in einer umfassenden Meta-Analyse sollte zur Detektion der am häufigsten betroffen Signalwege in demyeliniserenden Erkrankungen beitragen. Die Datenbanken ArrayExpress, Gene Expression Omnibus und PubMed wurden nach Microarray-Genexpressionsstudien der Multiplen Sklerose und ihrer experimentellen Tiermodelle durchsucht. Anhand der Einschlusskriterien wurden drei Studien der Multiplen Sklerose, die Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein-induzierte experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE) bei Ratten, die Proteolipidprotein-induzierte EAE in Mäusen, die Theilervirus induzierte, murine Enzephalomyelitis (TMEV-IDD) und das Tumor- Nekrose- Faktor- überexprimierende Maus-Modell (TNFtg) in die Meta-Analyse einbezogen. Die Re-Analyse der Daten mit einer einheitlichen Methodik ergab auf Gene-Ebene eine Ãœberschneidung von 12 mit Makrophagen assoziierten Genen in allen Studien. Eine studienübergreifende Analyse der am häufigsten betroffenen Signalwege in MS, EAE, TMEV-IDD und TNFtg verdeutlichte die in allen Studien zu findenden Veränderungen im Bezug auf den Koagulations- und JAK / STAT-Signalweg. Darüber hinaus wurden die transkriptionellen Verälnderungen in den verschiedenen Tiermodellen auf ihre Unterschiede bezüglich ihrer Pathogenese eingeordet.

Die Ergebnisse beider Analysen betonen die Bedeutung der Berücksichtigung verschiedener Analyseverfahren und bereits bestehender Kenntnisse für einen verbesserten Wissensgewinn bei Transkriptom-Analysen. Ein derartiger Ansatz kann das hoch- konservative Verfahren basierend auf der Analyse differentiell exprimierter Gene verbessern.

Abschließend ist anzumerken, dass die Wichtigkeit der vorliegenden Daten basierten, explorativen Analyse insbesondere in der Erzeugung neuer Ansatzpunkte für weitere Hypothesen-basierte Studien besteht und somit zu einem besseren Verständnis der Ursachen und Folgen von demyelinisierenden Erkrankungen beiträgt.

abstract (englisch)

The key objective of the research in demyelinating diseases is to find the molecular basis of the diseases and identify targets for future therapeutic approaches. Transcriptome profiling has become a powerful tool in exploratory research and led to essential insights in the complex pathomechanisms of central nervous system disorders. New approaches in knowledge-based data-mining point out the importance of referencing background information. Thus, integrating studies of physiological development and animal models of diseases are a key to identify causal genes or pathways for a specific disease.

Therefore, the first part of the study focused on the delineation of oligodendrocyte differentiation and myelination during development. Myelination of the murine spinal cord is an entirely postnatal process, thus it represents a good model system to study mammalian central nervous myelination in vivo. Oligonucleotide microarrays were used to present a detailed exploratory analysis of the postnatal murine spinal cord transcriptome from postnatal day 0 to day 231. This led to the identification of eight highly differentially regulated genes among the group of well-known myelin genes with still unknown function during the myelination process. Furthermore, biological processes were assigned to certain developmental stages and their overlapping significance during several periods of postnatal life was detected. The up-regulated differentially expressed genes (DEGs) exhibited significantly enriched associations to gene ontology terms such as myelination and lipid metabolic transport and down-regulated DEGs to neurogenesis and axonogenesis. Expression values of marker gene signatures for neural stem cells, oligodendrocyte precursor cells, and developing astrocytes were constantly decreasing, whereas expression values of marker gene signitures for myelinating oligodendrocyte and mature astrocyte markers showed a steady increase.

The second part of the study was aimed to identify highly conserved and functionally important molecular processes in demyelinating diseases. Integrating the information from multiple studies in multiples sclerosis and its animal models in a comprehensive meta-analysis was suggested to be a powerful approach in detecting commonly affected pathways. ArrayExpress, Gene Expression Omnibus and PubMed databases were screened for microarray gene expression profiling studies of MS and its experimental animal models. Included conditions were multiples sclerosis (MS), myelin oligodendrocyte glycoprotein-induced experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) in rats, proteolipid protein-induced EAE in mice, Theiler's murine encephalomyelitis virus-induced demyelinating disease (TMEV-IDD), and a transgenic tumor necrosis factor-overexpressing mouse model (TNFtg). The re-analysis of the data set with consistent methodology on the gene level revealed an intersection of 12 genes related to macrophage function in all studies. Cross-study pathway-analysis revealed interesting commonly affected pathways in MS, EAE, TMEV-IDD, and TNFtg including coagulation and JAK/STAT-signaling. Furthermore the transcriptional changes in the different animal models were examined for their anticipated differences in their pathomechanism.

The results of both analyses point out the importance of the integration of multiple knowledge-based data mining methods rather than an exclusive application of highly conservative methods based solely on differentially expressed genes.

Conclusively, the novel insights gained from the present data-driven analysis are important to generate novel starting points for further hypothesis-driven studies and thus lead to a better understanding of the cause and consequences of demyelinating diseases.

keywords

Myelinisierung, Demyelinisierung, Transkriptions-Analyse; myelination, demyelination, transcriptional analysis

kb

19.066