The role of bHLH transcription factor NEX in neuronal differentiation and experience-dependent plasticity
Die Funktion von NEX während der neuronalen Differenzierung und der adulten Gehirn Plastizität
von Olga Mikhailova
Datum der mündl. Prüfung:2008-01-15
Erschienen:2008-02-12
Betreuer:Prof. Dr. Nils Brose
Gutachter:Prof. Dr. Kerstin Krieglstein
Gutachter:Prof. Dr. Klaus-Armin Nave
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Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
NEX (neuronal helix-loop-helix protein) is an atonal-related basic helix-loop-helix (bHLH) transcription factor that belongs to the subfamily of neuronal differentiation factors, which also includes NeuroD and NDRF. NEX is expressed in postmitotic pyramidal neurons throughout CNS development and in the adult brain. In rodents, expression starts around embryonic day 11 in postmitotic pyramidal neurons of the cortical plate. In the adult mouse brain expression is maintained in hippocampus proper, amygdala, entorhinal cortex and subiculum. Recent in vitro studies have suggested that NEX promotes neurite outgrowth and regeneration and facilitates neuronal survival. Since inactivation of the Nex gene per se does not have an obvious impact on forebrain formation in the mouse, it is likely that the closely related proteins NeuroD and NDRF can compensate for the loss of NEX protein. However, sustained NEX expression in adult pyramidal neurons of several brain areas, which are implicated in memory formation and retrieval, suggests a function of NEX in neuronal plasticity and higher cognitive functions. The goal of this study was to investigate the function of NEX during murine telencephalon development and in experience-dependent plasticity of the adult brain. To study the role of NEX in the adult brain, a microarray analysis of the hippocampal CA3 region of NEX null mutants versus wildtype animals was performed. In order to test the effect of the NEX null mutation on experience-induced plasticity, an enriched environment paradigm was applied prior to transcriptome analysis. The comparison of gene expression profiles of null mutant and control animals revealed a differential regulation of metabolic pathways and several genes involved in learning and memory. In line with increased metabolic activity of hippocampal neurons, NEX null mutants exhibited hyperactivity in the open field, light-dark preference and plus maze test. Further behavioural studies demonstrated a learning delay in spatial learning tasks and impaired contextual memory formation in NEX null mutants. The spatiotemporal expression pattern of NEX during development and altered expression of cell cycle genes in null mutants suggested a role for NEX in cell cycle exit control and neuronal differentiation. To study the role of NEX during early cortical development a transgenic mouse line was generated, in which NEX expression can be induced by Cre-recombinase. NEX overexpression in neuronal progenitors, but not in postmitotic neurons, resulted in the reduction of cerebral hemisphere size and abnormal cortical layer formation. Massive apoptosis of ventricular zone progenitors and ectopic expression of neuronal differentiation markers indicated premature cell cycle exit and impaired migration. Additionally, a transgenic mouse line allowing doxycycline-regulated control of gene expression in postmitotic pyramidal neurons was created during this study. The NEX-htTA transgenic line is currently being used to study mechanisms of cortical lamination.
Keywords: bHLH; transcription factors; brain development; learning and memory
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Das basische Helix-Loop-Helix-Protein NEX
bildet zusammen mit NeuroD und NDRF eine Subfamilie neuronaler
Transkriptionsfaktoren, die mit dem proneuralen Gen atonal aus
Drosophila verwandt sind. Innerhalb des Vorderhirns der Maus wird
NEX ausschließlich in postmitotischen Pyramidenzellen exprimiert.
Die Expression von NEX beginnt am elften Embryonaltag in der
Kortikalplatte und bleibt im adulten Gehirn unter anderem in der
Amygdala, dem Hippokampus, dem entorhinalen Kortex und dem
Subikulum erhalten. Das adulte Expressionsmuster deutet darauf hin,
dass NEX an der Regulation neuronaler Plastizitätsmechanismen
beteiligt sein könnte, die für den Erwerb und das Wiederabrufen von
Gedächtnisinhalten notwendig sind. Verschiedene Zellkulturstudien
legen nahe, dass Vertreter der NeuroD-Subfamilie am Auswachsen und
der Regeneration von Axonen beteiligt sind. Da die
Gehirnentwicklung in Mäusen mit einer Nullmutation des NEX-Gens
weitgehend normal verläuft, ist dessen genaue in vivo-Funktion
unbekannt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit sollte die Auswirkung der
Nullmutation des NEX-Gens auf das Transkriptionsprofil des
Hippokampus sowie auf Lern- und Gedächtnisleistungen ermittelt
werden. Daneben sollte durch Überexpression von NEX in einer
transgenen Mauslinie dessen Funktion während der Kortexentwicklung
untersucht werden. Das vollständige Expressionsprofil der
CA3-Region des Hippokampus von NEX-Nullmutanten und wildtypischen
Mäusen wurde mit Hilfe einer DNA-Microarray-Analyse ermittelt. Um
neuronale Plastizitätsprozesse zu verstärken, wurden NEX-Mutanten
und Kontrollmäuse zuvor einer komplexen Käfigumgebung ausgesetzt.
Im Rahmen der Transkriptomanalyse wurde in der Nullmutante eine
erhöhte Expression von Genen des Energiestoffwechsels beobachtet.
Außerdem lag eine transkriptionelle Dysregulation einer Reihe von
Genen vor, die an Lern- und Gedächtnisprozessen beteiligt sind. Die
erhöhte metabolische Aktivität hippokampaler Neurone korreliert mit
einer Änderung des Verhaltens der NEX Nullmutanten, die im Open
Field-, Light-Dark Preference- und dem Plus Maze-Verhaltenstest
Hyperaktivität aufweisen. Daneben wurde eine Verlangsamung des
räumlichen Lernens und Defekte in der kontextabhängigen
Gedächtnisbildung beobachtet. Das zeitliche und räumliche
Expressionsmuster von NEX und die veränderte Expression von
Zellzyklus-Genen in NEX-Nullmutanten weisen darauf hin, dass NEX
während der neuronalen Differenzierung den Austritt aus dem
Zellzyklus vermittelt. Um die Funktion von NEX in der Entwicklung
des zerebralen Kortex zu untersuchen, wurde eine transgene
Mauslinie hergestellt, die eine durch Cre Rekombinase induzierbare
Überexpression von NEX ermöglicht. Die Überexpression von NEX in
neuralen Vorläuferzellen, nicht jedoch in postmitotisschen
Pyramidenzellen, führt zu einer deutlichen Verkleinerung des
Neokortex, von der insbesondere die Schichte V und VI des Neokortex
betroffen ist. Auf zellulärer Ebene wurden innerhalb der
Ventrikularzone eine erhöhte Apoptoserate und eine ektopische
Expression von neuronalen Differenzierungsmarkern beobachtet. Dies
deutet daraufhin, dass die Überexpression von NEX in neuralen
Vorläuferzellen zu einem vorzeitigen Austritt aus dem Zyklus und
einer verfrühten neuronalen Differenzierung führen kann. In einem
unabhängigen Projekt wurde eine weitere transgene Mauslinie
hergestellt, in der eine humanisierte Variante des
Tetrazyklin-abhängigen Transaktivators (htTA) unter Kontrolle
regulatorischer Sequenzen des NEX-Gens exprimiert wird. Diese
Mauslinie soll zur Untersuchung von Mechanismen der
Kortexentwiklung verwendet werden.
Schlagwörter: gehirn plastizität; gehirn entwicklung; transcriptionsfaktoren