Dissertation

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

Wenhui Sun

Pathogenetic role of cholesterol biosynthesis and STAT3 signalling in chronic demyelinating diseases

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-106001

title (ger.)

Pathogenetische Rolle der Cholesterol-Biosynthese und des STAT3-Signalweges in chronisch-demyelinisierenden Erkrankungen

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2014

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/sunw_ws14.pdf

abstract (deutsch)

Die Multiple Sklerose (MS) des Menschen stellt eine immunmediierte, demyelinisierende Erkrankung des zentralen Nervensystems mit bislang ungeklärter Ursache dar. Die fortschreitende Zerstörung der Myelinscheide und eine bislang ungeklärte Behinderung der Remyelinisierung sind verantwortlich für eine progressive Schädigung der Axone. Dies stellt die Basis der progredienten Verschlechterung des klinischen Bildes dar. Transkriptionale Analysen und Beobachtungen aus vorangegangenen Untersuchungen der Theilervirus-Enzephalomyelitis (TME) der Maus, einem experimentell, virus-induziertem Tiermodel der MS deuten daraufhin, dass einerseits die in MS-Läsionen vorliegenden Vorläuferzellen der Oligodendrozyten nicht zu myelinisierenden Oligodendrozyten differenzieren und andererseits substanzielle, transkriptionale Veränderungen die Cholesterol-Biosynthese vorliegen.

Die Ziele der vorliegenden These bestanden deshalb darin, die zugrundeliegenden Mechanismen der dysregulierten Vorläuferzell-Differenzierung zu identifizieren und die Veränderungen im Cholesterol-Stoffwechsel sowie die mögliche Beeinflussung der De- und Remyelinisierung durch dietätische Cholesterol-Supplementierung zu analysieren.

Hierfür wurden fünf Wochen alte, weibliche SJL/J-Mäuse mit dem schwach virulenten BeAn-Stamm des TME-Virus intrazerebral infiziert. Mock-infizierte Tiere dienten als Kontrolltiere. Die motorische Leistung der Tiere wurde wöchentlich mittels Rotarod-Test über den Untersuchungszeitraum von 7-196 Tage nach der Infektion evaluiert. In verschiedenen Stadien der Erkrankung wurde jeweils eine Gruppe von 6 Tieren obduziert und mittels Histologie, Immunhistologie und Oligonukleotid-Mikroarrays ausgewertet. Zusätzlich wurde für den ersten Teil der These die Auswirkung der Aktivierung und Inhibierung des STAT3-Signalweges auf gliale Vorläuferzellen zellkulturell an BO-1 und primären Oligodendrozyten-Vorläuferzellen der Ratte untersucht. Im zweiten Teil der Studie wurde außerdem, zur Klärung des Einflusses einer Hypercholesterolämie auf den Krankheitsverlauf der TME, ein Fütterungsversuch im oben beschriebenen Tierexperiment durchgeführt. Hierfür wurde eine Gruppe mit normaler handelsüblicher Mäusediät, eine andere mit einer hochgradig Fett- und Cholesterol-haltiger Paigen-diät über den gesamten Versuchszeitraum gefüttert. Nachfolgend wurde die Lipid-Zusammensetzung von Leber, Blut und Rückenmark mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie beurteilt.

Mittels Mikroarray-Technologie konnte im ersten Teil der Studie eine hohe Korrelation der immunhistologisch ausgewerteten Oligodendrozyten-Vorläuferzelldichte und der transkriptionalen Veränderung des JAK-STAT Signalweges dargestellt werden. Immunhistologisch wurde ein erhöhter Gehalt an STAT3 expremierenden Astrozyten, Oligodendrozyten Vorläuferzellen und Mikroglia/Makrophagen festgestellt. Im den nachfolgenden zellkulturellen Untersuchungen war nach Aktivierung des STAT3-Signalweges durch Meteorin, sowohl in BO-1 Zellen als auch in primären Oligodendrozyten-Vorläuferzellkulturen eine vermehrte Expression von GFAP und eine verminderte Expression von CNPase zu detektieren. Durch Inhibierung des STAT3-Signalwegs mittels STAT3 Inhibitor VII war in BO-1 Zellen der gegensätzliche Effekt zu erzielen.

Im zweiten Teil der vorliegenden Studie wurde eine progressive, transkriptionale Herunterregulierung von Genen der Cholesterol-Biosynthese erkannt. Der Gehalt an Galactocerebrosiden und Sphingomyelinen im Rückenmark war im fortgeschrittenen Krankheitsstadium durch die Infektion mit TME-Virus vermindert. Die dietätische Cholesterol-Supplementierung hatte weder einen Einfluss auf den Grad und Charakter der entzündlichen Veränderung, noch auf die De- und Remyelinisierung im TME-Model. Interessanterweise war kein negativer Effekt der Serum-Hypercholesterolämie auf die im Allgemeinen als atherosklerose-resistent geltende SJL/J Mäuse zu erkennen.

 

Zusammenfassend zeigten die Untersuchungen, dass der STAT3-Signalweg eine Schlüsselrolle in der Regulation der Differenzierung oligodendroglialer Vorläuferzellen einnimmt. Durch die in vitro gezeigten Veränderungen ist es wahrscheinlich, dass STAT3 eine Differenzierung von Oligodendrozyten Vorläuferzellen zum Astrozyten begünstigt und somit die für MS kennzeichnende Astrogliose hervorruft.

Des Weiteren, stellt die Beobachtung, dass der Serum-Cholesterolspiegel keinen Einfluss auf den Krankheitsverlauf der TME hat, eine mögliche Erklärung für die teils widersprüchlichen Aussagen bezüglich eines pathogenetischen Zusammenhangs zwischen der Hypercholesterolämie und der MS dar. Die Ergebnisse dieses Fütterungsversuchs deuten darauf hin, dass keine primäre Beeinflussung des Krankheitsbilds durch fettreiche Diät besteht. Der Eindruck eines pathogenetischen Zusammenhangs entstand wahrscheinlich durch die hohe Sensibilität der Menschen zur Atherosklerose.

abstract (englisch)

Multiple sclerosis is an immune-mediated demyelinating disease of the central nervous system with still unknown etiology. The basis for the progressive nature of neurological disabilities in MS is ongoing myelin destruction and a failure of remyelination. This is resulting in a progressive axonal damage with limited remyelination. Transcriptional analysis and observations from previous studies in murine Theiler’s virus encephalomyelitis (TME), an experimental, virus-induced animal model of MS lead to different underlying mechanisms. On the one hand oligodendrocyte precursor cells (OPC) are present in the lesion but do not differentiate into myelinating oligodendrocytes and on the other hand, substantial, transcriptional changes are present concerning the cholesterol biosynthesis.

Therefore, the objectives of this thesis were first to identify the underlying mechanisms leading to the dysregulation of OPC differentiation and second to analyze the changes in cholesterol metabolism and study the possible influence on de- and remyelination by dietary cholesterol supplementation.

Therefore five weeks old, female SJL/J mice were infected intracerebrally with the low virulent BeAn strain of TME virus. Mock-infected animals served as controls. The motoric performance of the animals was evaluated weekly by Rotarod test over the studied period from 7-196 days post infection (dpi). At different stages of the disease 6 animals per group was necropsied and evaluated by histology, immunohistochemistry and oligonucleotide microarrays. In addition, the effect of activation and inhibition of the STAT3 signalling pathway on glial precursor cells was examined in vitro on BO-1 cells and primary rat OPC cultures for in the first part of the study.

In the second part an additional feeding experiment was performed to clarify the influence of hypercholesterolemia on the disease course in TME. For this purpose one group of animals was fed a conventional mouse diet, the other group received a high-fat and high-cholesterol Paigen-diet throughout the complete period of the experiment. Subsequently, the lipid composition of liver, blood and spinal cord was assessed by high performance liquid chromatography.

In the first part of the study, a high correlation between the immunohistochemically evaluated OPC-density and the transcriptional change in the JAK-STAT signaling pathway was observed by using microarray technology. Immunohistologically an increased amount of STAT3-expressing astrocytes, OPCs and microglia / macrophages was observed in TME infected animals. In subsequent cell culture experiment in both, BO-1 cells and primary OPC cultures, an increased expression of GFAP and a reduced expression of CNPase was detect, after activating the STAT3 signaling pathway by Meteorin. Inhibiting the STAT3 signaling pathway by STAT3 inhibitor VII initiated the opposite effect in BO-1 cells.

In the second part of the present study, a progressive, transcriptional down-regulation of genes involved in cholesterol biosynthesis was detected. The content of galactocerebrosides and sphingomyelins in the spinal cord was reduced in the advanced stage of TME. The dietary cholesterol supplementation had no impact on the degree and quality of inflammatory changes, de- and remyelination in the TME model. Interestingly, no negative effect of serum hypercholesterolemia was recognizable in atherosclerosis-resistant SJL/J mice.

In summary, the study shows that STAT3 signaling pathway plays a key role in the regulation of OPC differentiation. Due to the changes observed in vitro, it is likely that STAT3 promotes the differentiation of OPCs to astrocytes and is thus leading to a persistent astrogliosis. Moreover, serum hypercholesterolemia exhibits no negative effect on virus-induced, inflammatory demyelination in the CNS in this atherosclerosis-resistant mouse strain. The reported findings could indicate, that the inconclusive reports regarding hypercholesterolemia and MS maybe influenced by rather indirect pathomechanistic factors or the confounding influence of the respective genetic predisposition towards atherosclerosis.

keywords

Theilervirus-Enzephalomyelitis; Paigen-Diät; Cholesterinbiosynthese, Theiler's murine encephalomyelitis; Paigen diet; Cholesterol biosynthesis

kb

4.095