Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Role and putative therapeutic implications of fibroblast growth factor-2 (FGF-2)-dependent interplay of neurotrophic factors and signaling cascades in amyotrophic lateral sclerosis

Kefalakes, Ekaterini Sofia

Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) gilt als multifaktorielle neurodegenerative Erkrankung deren genaue Ätiologie noch unbekannt ist. Während das therapeutische Potenzial von verschiedenen Wachstumsfaktoren bei der ALS in zahlreichen Studien untersucht wurde, wird ein neurotoxischer Effekt erst seit Kurzem im Zusammenhang mit ALS-Pathomechanismen diskutiert. So steht besonders der Wachstumsfaktor FGF-2 im Fokus, der für seine pleiotropen neuroprotektiven Effekte bekannt ist. FGF-2 besitzt jedoch auch neurotoxisches Potential, welches auf der Förderung des nicht-zellautonomen Astrozyten-mediierten Untergangs von Motorneuronen basieren könnte. Innerhalb der vorliegenden Studie wurden die Wirkungen von FGF-2, seiner beiden Isoformen, anderer co-regulierter Wachstumsfaktoren und deren Effektormolekülen auf Nerven- und Muskelgewebe zu verschiedenen Krankheitszeitpunkten untersucht. Es wurde gezeigt, dass verschiedene Wachstumsfaktoren im Rückenmark sowie im Muskelgewebe von SOD1G93A Mäusen dysreguliert vorliegen. Zusätzlich wiesen FGFR nachgeschaltete Signalkaskadeneffektoren im Muskel von SOD1G93AFGF-2+/- und SOD1G93AFGF-2-/- -Mäusen Veränderungen in ihrer Genexpression auf. Diese fehlregulierte Gentranskription ging mit einer Stadien-spezifischen ERK-und AKT-Suppression einher, was auf eine Bedeutung bei der Entstehung und dem Fortschreiten von Muskelschwund hinweist. Überraschenderweise resultierte weder eine genetische Deletion von FGF-2HMW noch von FGF-2LMW in einer Verlängerung der Überlebensspanne oder einem besseren Allgemeinzustand der SOD1G93A -Mäuse. Allerdings wurde ein generelles Ungleichgewicht der Expressionsprofile von Wachstumsfaktoren im Muskelgewebe von SOD1G93AFGF-2LMW+/- und SOD1G93AFGF-2LMW-/- -Mäusen detektiert. Diese Effekte konnten im Muskelgewebe von SOD1G93AFGF-2HMW+/- und SOD1G93AFGF-2HMW-/- -Mäusen nicht nachgewiesen werden, was auf eine FGF-2LMW Depletions-Spezifität in diesem Gewebe hinweist. Ob dies eine Relevanz im Hinblick auf die Progression der ALS hat, bedarf weitergehender Untersuchungen. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass lediglich die komplette Gendeletion von FGF-2 fördernde Effekte im Sinne einer erhöhten Lebenserwartung, verbesserten motorischen Leistung, Erhalt von Motorneuronen und Reduktion von Astrozytose hervorrufen könnte. Um aufzuklären ob Astrozyten durch Exkretion von FGF-2 zum Motorneuron-Untergang beitragen, wurden FGF-2-, FGF-2HMW- und FGF-2LMW-genreduzierte Astrozyten mit SOD1G93A oder Wildtyp-Motorneuronen co-kultiviert und verschiedene Parameter bestimmt. Die vollständige Depletion des FGF-2-Gens resultierte in vermehrter motoneuronaler Differenzierung. Interessanterweise konnte, unabhängig vom FGF-2 Astrozyten-Genotyp, kein Zusammenhang mit Axonlänge oder Neuritenwachstum festgestellt werden. Die Co-Kulturen zeigten ebenfalls Dysregulationen in der Genexpression von diversen Wachstumsfaktoren. Die prominentesten waren eine FGF-2-abhängige GDNF-Expression, während CNTF und nachgeschaltetes ERK von der SOD1G93A Mutation abhingen. Bei Gendepletion von FGF-2LMW zeigte sich ebenfalls eine Hochregulation von CNTF in der Astrozyten-Monokultur. Diese Resultate geben erste Hinweise auf eine FGF-2-isoform-spezifische Regulation der astrozytären CNTF-Expression.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is considered a multifactorial neurodegenerative disease with unknown etiology. While numerous growth factors have been assessed regarding their therapeutic potential in ALS, the idea of a toxic growth factor misbalance has only recently been further pursued. Specifically FGF-2 which is mainly known due to its pleiotropic neuroprotective effects is hypothesized to elicit neurotoxicity by promoting astrocyte mediated non-cell autonomous motor neuron death. Within this study the various effects of FGF-2, of its two isoforms and of other growth factors and FGFR signaling interactions were elucidated in neural and muscle tissue of mutant SOD1G93A ALS mutant mice in a disease stage dependent manner. We found that several growth factors were dysregulated in both spinal cord and muscle of SOD1G93A mice as well as alterations of FGFR downstream signaling effectors in muscle of SOD1G93AFGF-2+/- and SOD1G93AFGF-2-/- mice that were associated with suppression of ERK and AKT at different disease stages supporting the fact that both play roles in ALS muscle wasting at different stages. Surprisingly, neither FGF-2HMW- nor FGF-2LMW knockout did result in prolonged life expectancy or improved general condition of SOD1G93A mice. However there was a general misbalance of growth factor gene expression profiles observed in muscle tissue of SOD1G93AFGF-2LMW+/- and SOD1G93AFGF-2LMW-/- mice indicating co-dependent regulations between growth factors when either of them is knocked out. Since similar effects were not detected in SOD1G93AFGF-2HMW+/- and SOD1G93AFGF-2HMW-/- muscle tissue, these dysregulations are FGF-2LMW knockout specific. However, their relevance to ALS needs to be further elucidated. Our results imply that only total knockout of FGF-2 exerts beneficial effects on life span, motor performance, motor neuron loss and astrocytosis. To elucidate if astrocytes promote motor neuron death via FGF-2 excretion, FGF-2-, FGF-2HMW- or FGF-2LMW deficient astrocytes were co-cultured with either SOD1G93A or wildtype motor neurons and different motor neuronal properties were determined. Astrocytic FGF-2 expression was shown to regulate motor neuron lineage commitment. Interestingly we could not find a link to axonal elongation or neurite sprouting regardless of the astrocytic FGF-2 genotype. Co-cultures also displayed several growth factor gene expression changes. Most prominently, GDNF expression was dependent on the astrocytic FGF-2 genotype, whereas CNTF and consecutive ERK expression were modified by presence of the SOD1G93A mutation. Such growth factor dependencies were also detected when FGF-2LMW was knocked out in astrocyte monocultures. Heterozygous and homozygous FGF-2LMW knockout astrocytes showed upregulation of CNTF providing first evidence for FGF-2 isoform-specific CNTF gene expression during neurodevelopmental processes.

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Kefalakes, Ekaterini: Role and putative therapeutic implications of fibroblast growth factor-2 (FGF-2)-dependent interplay of neurotrophic factors and signaling cascades in amyotrophic lateral sclerosis. Hannover 2018. Tierärztliche Hochschule Hannover.

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