Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Development of the dopaminergic system and the reticular thalamic nucleus in polysialic acid-deficient mice

Schiff, Miriam

The neural cell adhesion molecule NCAM and its post-translational modification with polysialic acid (polySia) are broadly implicated in neural development. Mice lacking the polysialyltransferases ST8SiaII and ST8SiaIV (II-/-IV-/-) are devoid of polySia and are characterized by postnatal growth retardation, precocious death, high incidence of hydrocephalus, and severe defects of major brain axon tracts. In the present work, the impact of polySia on (i) the development of the dopaminergic system and (ii) thalamocortical projections as well as the reticular thalamic nucleus was analyzed. In the first part of my thesis, I studied the role of polySia during embryonic development of the midbrain dopamine system in mice. PolySia immunoreactivity was detected on radial glia processes and on cell somata in the pial zone of the developing midbrain. Real-time RT-PCR analyses revealed that the mRNA profiles of polysialyltransferases and NCAM matched the time course of dopaminergic marker gene expression. Despite these parallels, tyrosine hydroxylase immunohistochemistry at embryonic day 14.5 and postnatal days 1 and 30 demonstrated that the loss of polySia caused no defects in the neuroarchitecture of the midbrain dopaminergic system. Furthermore, polySia-deficiency in vivo as well as enzymatic removal of polySia from cultured midbrain dopaminergic neurons in vitro had no effect on the expression of dopaminergic marker genes. Together, these data indicate that polySia is dispensable for the development of the midbrain dopamine system. In the second part of my thesis, I analyzed thalamocortical projections in relation to the previously described hypoplasia of the internal capsule in II-/-IV-/- mice. Furthermore, I asked for a role of the reticular thalamic nucleus (Rt) in the aberrant development of this fiber tract. Immunohistochemistry and tract tracing established that early misguidance of thalamocortical axons and subsequent deficits of corticofugal projections contribute to the internal capsule defect in II-/-IV-/- mice. As the Rt has been proposed to serve as a guidepost during early thalamocortical pathfinding, its malformation could be the reason for the observed phenotype. Indeed, numbers of parvalbumin-positive cells were drastically reduced in four week old II-/-IV-/- mice. However, initial formation of the Rt was largely uncompromised and together with increased apoptotic cell death at postnatal day 5, Rt neurons disappeared postnatally. Thus, neuronal damage was preceded by deficits of thalamocortical and corticothalamic axons, the collaterals of which provide the major excitatory input into the Rt. These findings suggest that defective innervation causes anterograde degeneration of the Rt in II-/-IV-/- mice.

Das neurale Zelladhäsionsmolekül NCAM und insbesondere seine posttranslationale Modifikation mit Polysialinsäure (PolySia) sind wesentliche Faktoren in der Entwicklung des Nervensystems. In Knockout-Mäusen, welche defizient für die beiden Polysialyltransferasen St8SiaII und St8SiaIV sind (II-/-IV-/-), fehlt PolySia vollständig. Diese Tiere zeichnen sich durch postnatale Wachstumsretardierung, eine hohe Inzidenz für Hydrocephalus, vorzeitigen Tod und Defekte wichtiger Hirnfasertrakte aus. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von PolySia auf die Entwicklung (i) des dopaminergen Systems und sowie (ii) thalamokortikaler Projektionen und des retikulären thalamischen Nukleus untersucht. Im ersten Teil dieser Dissertation habe ich die Rolle von PolySia während der Embryonalentwicklung des mesencephalen dopaminergen Systems in Mäusen analysiert. PolySia konnte auf Fortsätzen radialer Gliazellen und auf Zellkörpern der äußeren (pialen) Zone des Mittelhirns nachgewiesen werden. Real-time RT-PCR Untersuchungen zeigten, dass die mRNA-Profile der Polysialyltransferasen und von NCAM dem zeitlichen Verlauf der Expression dopaminerger Markergene entsprachen. Trotz dieser Parallelen ergaben immunhistochemische Untersuchungen der Tyrosinhydroxylase weder am Embryonaltag 14 noch an den Postnataltagen 1 und 30 Hinweise auf Defekte des dopaminergen Systems in PolySia-negativen Tieren. Des Weiteren hatten weder der Verlust von PolySia in vivo noch ein enzymatischer Verdau von PolySia auf mesencephalen Vorläuferzellen in vitro einen Einfluss auf die Expression dopaminerger Marker. Somit scheint PolySia für die Entwicklung des dopaminergen Systems nicht essentiell zu sein. Im zweiten Teil der Dissertation habe ich thalamokortikale Projektionen vor dem Hintergrund der bekannten Hypoplasie der inneren Kapsel in II-/-IV-/- Mäusen analysiert. Außerdem wurde eine mögliche Beteiligung des retikulären thalamischen Nukleus (Rt) an der Fehlentwicklung dieses Fasertraktes untersucht. Mittels Immunhistochemie und Fasertraktmarkierung konnte gezeigt werden, dass die frühe Fehlleitung thalamokortikaler Fasern und ein hieraus resultierender Ausfall kortikothalamischer Projektionen zum Defekt der inneren Kapsel beitragen. Da der Rt als Leitstruktur für thalamokortikale Axone diskutiert wird, könnte die beobachtete Störung der axonalen Wegfindung durch Fehlbildung dieses Kerngebiets verursacht werden. Tatsächlich war die Anzahl Parvalbumin-positiver Neurone des Rt in vier Wochen alten II-/-IV-/- Mäusen drastisch reduziert, jedoch verlief die Entstehung des Rt weitgehend unbeeinträchtigt. Zeitgleich mit erhöhter Apoptose an Postnataltag 5 verschwanden die Neurone des Rt erst in der frühen postnatalen Phase. Der Verlust dieser Zellen erfolgte somit deutlich nach der fehlerhaften Entwicklung thalamokortikaler und kortikothalamischer Projektionen, deren Kollateralen die Hauptinnervation des Rt darstellen. Dies legt den Schluss nahe, dass fehlende Innervation zur anterograden Degeneration des Rt in II-/-IV-/-Mäusen führt.

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Schiff, Miriam: Development of the dopaminergic system and the reticular thalamic nucleus in polysialic acid-deficient mice. Hannover 2010. Tierärztliche Hochschule.

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