Regulationsmechanismen der Musterbildung und Determinierung ventraler Neuronen in Zentralnervensystem: Neuronale Spezifizierung und axonale Wegfindung im Rückenmark und Gehirn
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Während der embryonalen Entwicklung von Vertebraten werden die Transkriptionsfaktoren der Homeobox-Familie Nkx2.2 und Nkx2.9 in einer ventralen Domäne des Zentralnervensystems in zeitlich überlappendem Muster exprimiert. Im Rahmen dieses Projekts haben wir versucht, vor allem die redundanten Funktionen beider Proteine durch geeignete Kombinationen gezielter Genmutationen in der Maus aufzuklären. Die wichtigsten wissenschaftlichen Erkenntnisse aus diesen Experimenten sind wie folgt: 1. An der differentiellen ventro-dorsalen Spezifizierung neuronaler Vorläuferzellen im ventralen Rückenmark sind beide Transkriptionsfaktoren Nkx2.2 und Nkx2.9 beteiligt, da die gleichzeitige Inaktivierung beider Gene zum Verlust der Progenitorzellen für V3 Interneurone und deren Transformation zum Schicksal der Motoneurone führt. Die V3 Vorläuferzellen (p3) sind dagegen in beiden Einzelmutanten vorhanden, wenn auch reife V3 Interneurone in Nkx2.2 Nullmutanten nicht differenzieren. 2. Neben der Spezifizierung neuronaler Progenitorzellen spielen Nkx2.2 und Nkx2.9 Faktoren eine essentielle Rolle für die Entstehung der Bodenplatte und deren Funktion in der Wegfindung kommissuraler Axone. Daraus resultiert ein Defekt im zentralen Generator für die rhythmische Lokomotion (CPG), die sich in fehlender Links-Rechts Alternierung der Hinterbeine bereits in der teilweise mutierten Nkx2.2+/- ; Nkx2.9-/- Maus zeigt. Messung der Motoraktivität an isolierten Rückenmarkspräparaten der Doppelmutanten belegt darüber hinaus einen Defekt der Flexor-Extensor Koordination. Da der alleinige Funktionsverlust von V3 Interneuronen einen deutlich milderen Phänotyp hervorruft, der im Wesentlichen die Robustheit des Gang-Rhythmus, nicht aber die Alternierung betrifft, kann von einer komplexeren Störung des CPGs in der Doppelnull- Mutanten ausgegangen werden. 3. Die Bildung branchialer und viszeraler Motorneurone im posterioren Teil des Hinterhirns ist von redundanten Funktionen der Nkx2.2 und Nkx2.9 Proteine abhängig, da in den Doppelnull-Mutanten bis zur rostralen Grenze in den Rhombomeren 2/3 keine bv-Motorneurone mehr entstehen. Die Kernbereiche dieser Mausmutanten sind ektopisch mit somatischen Motorneuronen besetzt, die durch komplette Transformation der bv- Vorläuferzellen entstanden sind und deren Axone das ZNS gemäß des neuen Schicksals an ventralen Austrittspunkten verlassen. Die zelltyp-spezifizierende Rolle von Nkx2.2 und Nkx2.9 für ventrale Neuronen ist im rostralen Hinterhirn und im Mittelhirn nicht nachweisbar, weil dort wahrscheinlich andere Faktoren diese Funktion ausüben. 4. Die Herstellung von Mäusen mit NKx2.2-Cre oder NKX2.9-Cre Allelen ermöglicht es, die einschlägigen Zell-Lineages während der Embryonalentwicklung zu verfolgen und die axonalen Projektionen dieser Motorneurone im Detail sichtbar zu machen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Die Rolle der Transkriptionsfaktoren Nkx2.2 und Nkx2.9 in der Entwicklung des Neuralrohrs : Herstellung einer Nkx2.9 Cre knock-in Mausmutante Dissertation, TU Braunschweig. (197 S.)
Pravemann, J.
- Genetic analysis of Nkx2.2 and Nkx2.9 transcription factors in mouse brain development: specific functions in the hindbrain Dissertation, TU Braunschweig. (101 S.)
Jarrar, W.
- (2010). The transcription factors Nkx2.2 and Nkx2.9 play a novel role in floor plate development and commissural axon guidance. Development 137, 4249-4260
Holz, A., Kollmus, H., Ryge, J., Niederkofler, V., Dias, J.M., Ericson, J., Stoeckli, E.T., Kiehn, O., and Arnold, H.H.
- 2010). A homeodomain feedback circuit underlies step-function interpretation of a Shh morphogen gradient during ventral neural patterning. Development.137, 4051-4060
Lek M, Dias JM, Marklund U, Uhde CW, Kurdija S, Lei Q, Sussel L, Rubenstein JL, Matise MP, Arnold HH, Jessell TM, Ericson J.
- (2013) Specification of branchio-visceral motor neurons in the murine hindbrain depends on the transcription factors Nkx2.2 and Nkx2.9 44. Jahrestagung der Geselschaft für Genetik, Braunschweig , Abstract
Jarrar, W., Arnold, H.-H., Holz, A.
- (2015). Generation of a Nkx2.2Cre knock-in mouse line: Analysis of cell lineages in the central nervous system. Differentiation
Volume 89, Issues 3–4, March–April 2015, Pages 70-76
Jarrar, W., Vauti, F., Arnold, H.H., and Holz, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.diff.2015.03.001) - (2015). Nkx2.2 and Nkx2.9 are the key regulators to determine cell fate of branchial and visceral motor neurons in caudal hindbrain. PLoS ONE, 10(4): e0124408
Jarrar, W., Dias, J.M., Ericson, J., Arnold, H.H., and Holz, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pone.0124408)
