The role of bHLH transcription factor NEX in neuronal differentiation and experience-dependent plasticity

Abstract

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.