Investigation of myelin membrane adhesion and compaction in the central nervous system

Abstract

Myelin ist eine mehrschichtige Membran, die die Axone in peripheren (PNS) und Zentrale Nervensystem (ZNS) umhüllt. Die Bildung und Anordnung dieser Struktur ist ein mehrstufiger Prozess, der durch eine Vielzahl extrazellulärer Faktoren reguliert wird. Im ZNS wird Myelin von Oligodendrozyten gebildet. Während der Entwicklung differenzieren die Vorläufer dieser Zellen zu reifen Oligodendrozyten aus. Nachdem sie das geeignete Signal aus ihrer Umgebung erhalten haben, beginnen die Oligodendrozyten die Axone mit Myelinmembranen einzuhüllen. Allerdings sind die Signale, die diesen Prozess initiieren unbekannt. Mit dieser Arbeit zeigen wir, dass Oligodendrozyten kleine Mikrovesikel - so genannte Exosomen - in den extrazellulären Raum freisetzen, welche die terminale Differenzierung von Oligodendrozyten und die anschließende Myelinbildung verhindern. Es konnte gezeigt werden, dass diese inhibitorische Wirkung durch die Aktivität der RhoA-ROCK-Signalkaskade vermittelt wird. Bemerkenswerterweise war die Exosomenfreisetzumg durch Oligodendrozyten signifikant reduziert, wenn die Zellen mit konditioniertem Medium von Neuronen inkubiert wurden. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Exosomen, die von Oligodendrozyten produziert werden, Zellen in einem pre-myelinisierten Stadium halten, während die Sekretion von Exosomen in Gegenwart neuronaler Signale reduziert wird und autoinhibitorische Signale aufgehoben werden. Somit können Neuronen die Bildung und Freisetzung von Exosomen regulieren, welche von Oligodendrozyten freigesetzt werden, um die Biogenese und Assemblierung der Myelinmembran zu koordinieren.

Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Frage, wie die Kompaktierung des Myelins vermittelt wird, erörtert. Während bekannt ist, dass MBP die Interaktion zwischen Myelinmembranen von cytoplasmatischer Seite aus organisiert, ist der zugrundeliegende molekulare Mechanismus der Interaktion zwischen den äußeren Membranen nach wie vor unklar. Im Allgemeinen erfordert die Interaktion zwischen zwei gegenüberliegenden Membranen die Expression von Adhäsionsmolekülen und die Entfernung von repulsiven Komponenten. Daher untersuchten wir die Rolle des Proteolipid-Proteins (PLP), als mutmaßliches Adhäsionsmolekül, und die Glykocalix, als repulsive Struktur während der Myelinkompaktierung im ZNS. Wir analysierten die Adhäsion von aufgereinigten Myelinpartikeln mit den primären Oligodendrozyten, um die Wechselwirkung zwischen den Myelinschichten zu imitieren. Mit diesem System haben wir gezeigt, dass PLP die Adhäsionsfähigkeit der Myelinmembran erhöht. Mittels Single Particle Force-Spektroskopie fanden wir außerdem heraus, dass PLP die physikalische Stabilität von Myelin verbessert. Zusätzlich beobachteten wir eine signifikante Reduzierung in der Glykokalix während der Oligodendrozytenreifung, die mit einer Zunahme in ihrer Oberflächenaffinität gegenüber den Myelinpartikeln korreliert. Weitere Analysen zeigten, dass die negative Ladung der Zuckeranteile, hauptsächlich der Sialinsäure, für die Verringerung der Myelinadhäsion verantwortlich ist. Daher schlagen wir vor, dass die Adhäsionseigenschaften von PLP zusammen mit der Reduzierung der Glykokalyx, die Adhäsion der Myelinmembran und die Kompaktierung im ZNS organisieren.