Dissertation

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

 

Yanyong Sun

Role of JAK-STAT signaling in the pathogenesis of astrogliosis in chronic demyelinating Theiler’s murine encephalomyelitis

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-104410

title (ger.)

Die Rolle des JAK-STAT-Signalwegs in der Pathogenese der Astrogliose in der chronisch-demyelinierenden Theiler Virus Enzephalomyelitis

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/suny_ws13.pdf

abstract (deutsch)

Der Januskinase (JAK)-Signal-Übertragung und den Aktivatoren des Transkriptions- Wegs (STAT) wird eine Beteiligung an der Pathogenese demyelinisierender Erkrankungen wie Multiples Sklerose (MS), experimenteller allergischer Enzephalomyelitis (EAE) und muriner Theilervirus Enzephalomyelitis (TME) zugeschrieben. Ursächlich für die fehlerhafte Remyelinisierung und Glianarbenbildung bei der TME wird eine Dysregulation der Differenzierung oligodendroglialer Vorläuferzellen (OPC) vermutet. Das Verständnis der Mechanismen, die der Remyelinisierung im ZNS zugrunde liegen, ist von unmittelbarer klinischer Relevanz. Als geeignete Modelsysteme stehen die Analyse natürlich vorkommender und experimentell induzierter Erkrankungen, gentechnisch generierter Mausmutanten und die Transplantation oligodendrozytärer Vorläuferzellen nach experimenteller Demyelinisierung zur Verfügung. In der vorliegenden Studie wurde daher die Hypothese verfolgt, dass die Hemmung der OPC Differenzierung stärker auf eine aktive, dysregulatorische Aktivität als auf eine einfache, passive Blockade der zellulären Differenzierung als zugrundeliegenden Mechanismus hinweist.

Nach Transplantation von BO-1 Zellen in adulte Mäuse mit einer durch Ethidiumbromid-induzierten Demyelinisierung des kaudalen Kleinhirnstiels war eine hochgradig reduzierte 2´,3´-zyklische Nukleotid-3´-Phosphodiesterase (CNPase)-Expression im Vergleich zu ihrem in vitro Phänotyp, eine geringere Konzentration an myelin-basischen Protein (MBP) und saurem Gliafaserprotein (GFAP), eine prominente Aufregulierung des nerve/glial antigen 2 (NG2), platelet derived growth factor receptor alpha (PDGFRα), und nukleären p53 sowie eine unveränderte Expression des STAT3 Übertragungssignals und Transkriptionsaktivierung zu erkennen. Die transplantierten Zellen entwickelten sich überdies zu einem invasiv wachsenden und liquorogen metastasierenden Tumor, der als murines, riesenzelliges Glioblastom klassifiziert wurde.

Nach TME-Infektion war immunhistochemisch in der weißen Substanz eine fortschreitende Verminderung der MBP positiven Areale erkennbar. Im Gegensatz dazu war intraläsional eine erhöhte Anzahl NG2-positiver OPCs und GFAP-positiver Astrozyten zu detektieren. Mittels Genexpressionsanalyse war eine signifikante positive Korrelation von 26 Gen-Ontologie-Termini, darunter der Terminus Januskinase (JAK)-Signal-Übertragungskaskade mit der Dichte der NG2-positiven OPCs zu erkennen. Immunhistochemisch war eine erhöhte Anzahl aktivierter, phosphorilierter STAT3 (p-STAT3) expremierender Zellen in der Läsion zu ermitteln. Ein Großteil der p-STAT3 expremierenden Zellen co-expremierten neben CD107b und NG2 auch GFAP. Eine Aktivierung oder Hemmung der STAT3-Signalübertragung in BO-1 Zellen in astrozytärem Differenzierungsmedium erhöhte die GFAP- bzw. CNPase-Expression.

Abschließend kann zusammengefasst werden, dass ein verändertes Milieu im Hirnstamm nicht ausreichend ist um eine Differenzierung von BO-1 Zellen in oligodendrozytäre Zellen auszulösen und vermutlich eine CNPase-Expression blockiert. Des Weiteren spielt die Aktivierung des STAT3-Signalwegs in OPCs eine Schlüsselrolle für deren Entwicklung von einer oligodendroglialen zu einer astrozytären Differenzierung. Dadurch wird vermutlich eine Astrogliose und eine unzulängliche Remyelinisierung bei der TME induziert. Die Untersuchungen zeigen neue Mechanismen für das Verständnis demyelinisierender Erkrankungen auf, wonach die Inhibition des STAT3-Signalwegs eine mögliche neue Therapiestrategie für Erkrankungen wie MS darstellen könnte.

abstract (englisch)

The janus kinase (JAK)-signal transducer and activator of transcription (STAT) pathway has been found to be involved in the pathogenesis of demyelinating disease such as multiple sclerosis (MS), experimental autoimmune/allergic encephalomyelitis (EAE) and Theiler’s murine encephalomyelitis (TME). Dysregulation of oligodendroglial progenitor cells (OPCs) differentiation is suggested to be responsible for remyelination failure and astroglial scar formation in TME. Understanding the basic mechanisms that control CNS remyelination is of direct clinical relevance. Suitable model systems include the analysis of naturally occurring and experimentally induced diseases, genetically generated mouse mutants, and the transplantation of oligodendrocyte precursor cells (OPCs) following experimental demyelination. Thus in the present study, we hypothesized that inhibited OPC differentiation pointing towards a more active dysregulation process instead of a simple passive blockage of cellular differentiation as the underlying mechanism.

Transplanted BO-1 cells into ethidium bromide-induced demyelination of the caudal cerebellar peduncle (CCP) in the adult mouse displayed substantially reduced 2’, 3’-cyclic nucleotide 3’-phosphodiesterase (CNPase)-expression as compared to their in vitro phenotype, low levels of myelin basic protein (MBP) and glial fibrillary acidic protein (GFAP), prominent upregulation of nerve/glial antigen 2 (NG2), platelet derived growth factor receptor alpha (PDGFRα), nuclear p53, and an unaltered expression of signal transducer and activator of transcription (STAT) 3. Transplanted cells formed an invasive and liquorogenic metastasizing tumor, classified as murine giant cell glioblastoma.

In TME, immunohistology demonstrated a progressively decreasing percentage of myelin basic protein-positive white matter areas. In contrast, intralesional NG2-positive OPCs as well as GFAP-positive astrocytes were increased. Gene Set Enrichment analysis revealed 26 Gene Ontology terms including the Janus kinase (JAK)-STAT cascade to be significantly positively correlated with the density of NG2-positive OPCs. Immunohistology revealed an increased amount of activated, phosphorylated STAT3 (p-STAT3)-expressing cells within the lesions. Most p-STAT3-expressing cells co-expressed GFAP, followed by CD107b and NG2. Activation or inhibition of STAT3 signaling in BO-1 cells cultured in astrocytic differentiation medium enhanced GFAP- and CNPase-expression, respectively.

Conclusively, environmental signaling in the brain stem was not sufficient to trigger oligodendrocytic differentiation of BO-1 cells and seemed to block CNPase expression. Activation of the STAT3 pathway in OPCs is a key regulator shifting their differentiation from an oligodendroglial towards an astrocytic fate, thereby inducing astrogliosis and insufficient remyelination in TME. The obtained data provide a better understanding of the pathogenesis of demyelinating disease, and may outline new and innovative treatment strategies for demyelinating disorders including MS by inhibition of the STAT3 signaling pathway.

keywords

multiple sclerosis, signal transducer and activator of transcription, Theiler’s murine encephalomyelitis, oligodendroglial progenitor cells, astrocytyes, remyelination, giant cell glioblastoma

kb

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