Der Einfluss rekombinanter Neuroligine auf die neuronale Reifung
Influence of recombinant neuroligins on neuronal maturation
von Jakob Fenske
Datum der mündl. Prüfung:2022-07-25
Erschienen:2022-06-21
Betreuer:Prof. Dr. Thomas Dresbach
Gutachter:Prof. Dr. Thomas Dresbach
Gutachter:Prof. Dr. Dilja Krueger-Burg
Gutachter:PD Dr. Sabine Sennhenn-Kirchner
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http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9300
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Zusammenfassung
Englisch
Neuroligins are a group of postsynaptic adhesion molecules associated with formation, maturation and function of neuronal synapses. Additionally, some isoforms have been connected to autism spectrum disorders. Neuroligin 1 is essential for presynaptic maturation. A similar role has recently been described for Neuroligin 2. The influence of Neuroligin 3, 4 and the autism-associated Neuroligin 3-R451C mutation on presynaptic maturation has not yet been researched. Based on the given data, the following questions were asked in this paper: Are Neuroligin 3 and 4 involved in presynaptic maturation? Does the R451C-mutant show a deficit in this context? Do these isoforms influence neuronal morphology? Is there a common transsynaptic signaling pathway for all Neuroligins? In this study, recombinant Neuroligin constructs were overexpressed in primary hippocampal cell cultures and analysed using immunohistochemistry and different cell biological procedures to investigate the effects on presynaptic maturation. Neuroligin 3 and 4 showed similar effects to Neuroligin 1 and 2 by increasing not only the total amount of synapses, but also by stabilizing presynaptic active zones. Although the R451C-mutant had a similar effect on active zones, it was not able to increase the total amount of synapses. In contrast to the mutant, overexpression of Neuroligin 3 led to an increased functional maturation of presynapses. While both Neuroligin 3 and the mutant induced local stabilization of presynaptic Synapsin, only the mutant could evoke this effect for Synaptophysin. The extent of dendritic branching was increased both proximally and distally by Neuroligin 3 but only proximally by the mutant. Moreover, it was shown that Neuroligin 3 and the mutant could not exert their effects on presynapses, if brain-derived neurotrophic factor signaling was inhibited. In conclusion, Neuroligin 3 and 4 are involved in structural presynaptic maturation. Additionally, Neuroligin 3 increases functional synaptic maturation while the R451C mutant only leads to maturation of active zones. Considering stabilization of vesicle markers and dendrite morphology, Neuroligin 3 and the mutant show distinct functions. The mediation of the molecules’ effects on presynapses are dependent on brain-derived neurotrophic factor. Finally, the results open up possibilities to further investigate the therapeutic use of neurotrophins for autism spectrum disorders.
Keywords: neuroligins; neuroligin 3; neuroligin 4; neuroligin 3-r451c; R451C mutation; ASD; autism; neuronal maturation; synaptic maturation; dendrite branching; neurons; sholl analysis; brain derived neurotrophic factor; BDNF; TrkB-Fc; latrunculin A; synapsin; synaptophysin; synaptotagmin; hippocampus; presynapse; postsynapse; synaptic adhesion molecules
Deutsch
Die Neuroligine sind eine Gruppe postsynaptischer Zelladhäsionsmoleküle, deren Vertreter in Zusammenhang mit der Bildung, Reifung und Funktion von Synapsen gebracht werden. Mehrere Isoformen stehen mit Autismus-Spektrum-Störungen in Verbindung. Neuroligin 1 ist essentiell für die Reifung präsynaptischer Endigungen. Eine vergleichbare Rolle wurde kürzlich auch für Neuroligin 2 beschrieben. Bei den Isoformen Neuroligin 3 und 4 ist der Einfluss auf die präsynaptische Reifung bisher nicht untersucht worden, ebenso wenig wie bei der mit Autismus-Spektrum-Störungen assoziierten Mutation NL3-R451C. Auf Basis dieser vorliegenden Daten wurden in dieser Arbeit folgende Fragen gestellt: Sind Neuroligin 3 und 4 auch an der präsynaptischen Reifung beteiligt? Hat die Mutante diesbezüglich ein Defizit? Haben diese Isoformen Auswirkungen auf die neuronale Morphologie? Gibt es einen für alle Neuroligine gemeinsamen transsynaptischen Signalweg? Hierzu wurden rekombinante Neuroliginkonstrukte in primären hippocampalen Zellkulturen überexprimiert und immunhistochemisch untersucht, um mittels verschiedener zellbiologischer Verfahren den Effekt auf die präsynaptische Reifung zu testen. Es zeigte sich, dass Neurologin 3 und 4 analog zu Neuroligin 1 und 2 nicht nur zu einer Erhöhung der Synapsenzahl führen, sondern auch präsynaptische aktive Zonen stabilisieren. Zwar zeigte die NL3-R451C-Mutante einen vergleichbaren Effekt auf aktive Zonen, erhöhte aber die Synapsenzahl nicht. Im weiteren Verlauf konzentrierten sich die Untersuchungen auf Neuroligin 3 und die Mutante. Im Gegensatz zu Neuroligin 3 konnte die Mutante die funktionelle Reifung von Präsynapsen nicht steigern. Während sowohl Neuroligin 3, als auch die Mutante eine vermehrte lokale Stabilisierung von Synapsin an Präsynpasen induzierten, wurde dieser Effekt für Synaptophysin nur bei der Mutante beobachtet. Das Ausmaß der Dendritenverzweigung wurde durch Neuroligin 3 im proximalen und distalen Bereich erhöht, durch die Mutante hingegen nur im proximalen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Effekte von Neuroligin 3 und der Mutante bei Inhibition des brain-derived neurotrophic factor nicht vermittelt werden können. Zusammenfassend lässt sich schlussfolgern, dass Neuroligin 3 und 4 auch an der strukturellen präsynaptischen Reifung beteiligt sind. Außerdem steigert Neuroligin 3 die funktionelle präsynaptische Reifung, während die Mutante lediglich zur Reifung aktiver Zonen beiträgt. Im Hinblick auf die Stabilisierung von Vesikelmarkern sowie die Dendritenmorphologie zeigen Neuroligin 3 und die Mutante teils abweichende Funktionen. Zudem hängt die Vermittlung der Effekte beider Moleküle maßgeblich vom brain-derived neurotrophic factor ab. Die Ergebnisse eröffnen die Möglichkeit den therapeutischen Nutzen von löslichen Neurotrophinen für Autismus-Spektrum-Störungen weiter zu untersuchen.
Schlagwörter: Neuroligine; Neuroligin 3; Neuroligin 4; Neuroligin 3-R451C; R451C Mutation; ASD; Autismus; Neuronale Reifung; Synapsenreifung; Dendritenverzweigung; Neurone; Sholl-Analyse; BDNF; TrkB-Fc; Latrunculin A; Synapsin; Synaptophysin; Synaptotagmin; Hippocampus; Präsynapse; Postsynapse; synaptische Adhäsionsmoleküle