Seite als PDF downloaden - Max-Planck

Jahrbuch 2006/2007 | Rohrer, Hermann | Signale aus Zielorganen bestimmen die Differenzierung von
Nervenzellen
Signale aus Zielorganen bestimmen die Differenzierung von
Nervenzellen
Signals from target organs control the differentiation of neurons
Rohrer, Hermann
Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt am Main
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Die Entw icklung des Nervensystems erfordert Mechanismen, w elche die Differenzierung unterschiedlicher
Nervenzellen steuern. Im peripheren Nervensystem bestimmen Signale aus innervierten Zielorganen die
funktionelle
Spezialisierung
von
Nervenzellen. Faktoren
der gp130-Zytokinfamilie
sind in vivo für die
zielorganabhängige Differenzierung cholinerger sympathischer Neuronen verantw ortlich.
Summary
Nervous system development depends on mechanisms that control the generation of different neuronal
subtypes. In the peripheral nervous system, signals from innervated targets elicit the specialization to
different functional neuronal subtypes. The target-dependent cholinergic differentiation of sympathetic
neurons is mediated in vivo by members of the gp130-cytokine family.
Entstehung unterschiedlicher Nervenzellen im autonomen Nervensystem
Die Funktion des Nervensystems basiert auf der Interaktion einer Vielzahl verschiedener Nervenzellen, die
w ährend der Entw icklung aus pluripotenten Vorläuferzellen entstehen. Das relativ einfach aufgebaute
autonome
Nervensystem
ist
ein
klassisches
Modell
zur
Analyse
der
Entstehung
unterschiedlicher
Nervenzelltypen.
Das autonome Nervensystem besteht aus sympathischen und parasympathischen Neuronen, w elche die
Funktionen der inneren Organe ohne bew usste Kontrolle durch das Zentralnervensystem steuern. Die
w ichtigsten Zielgew ebe sind Herz, Blutgefäße, Lunge, Knochen, exokrine Drüsen und der Verdauungstrakt. Die
verschiedenen Zielorgane w erden durch funktionell unterschiedliche autonome Neuronen und übergeordente
Zentren gesteuert.
Funktionelle
Subtypen
sympathischer Nervenzellen
lassen
sich
aufgrund
ihrer elektrophysiologischen
Eigenschaften, ihrer Zielgew ebe und durch die Expression von Neurotransmittern bzw . Neuropeptiden
definieren. Die bislang am besten charakterisierte funktionelle Subpopulation besteht aus Nervenzellen,
© 2007 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
1/7
Jahrbuch 2006/2007 | Rohrer, Hermann | Signale aus Zielorganen bestimmen die Differenzierung von
Nervenzellen
w elche Schw eißdrüsen innervieren [1, 2]. W ährend sympathische Nervenzellen generell Noradrenalin als
synaptischen Transmitter (Überträgerstoff) einsetzen, handelt es sich bei der Schw eißdrüseninnervation um so
genannte
cholinerge
sympathische
Nervenzellen,
die
Acetylcholin
als
Transmitter
verw enden.
Die
Differenzierung dieser Zellen kann durch die Expression von charakteristischen Markergenen verfolgt w erden.
Interessanterw eise stellte sich heraus, dass alle cholinergen Eigenschaften, w ie z.B. die Expression des
Acetylcholin-produzierenden Enzyms, der Cholinacetyltransferase (ChAT), des Cholin-Transporters (ChT1) und
des vesikulären Acetylcholintransporters (VAChT), erst durch die Innervation des Zielgew ebes induziert
w erden.
Die Schw eißdrüsen w erden bei Maus und Ratte in den ersten postnatalen Tagen durch noradrenerge
sympathische Nervenzellaxone innerviert (Abb. 1). Im Verlauf der nächsten Wochen verlieren diese Axone ihre
noradrenergen Eigenschaften und w erden funktionell cholinerg. Die Entstehung funktionell verschiedener
Nervenzellen in sympathischen Ganglien lässt sich also in zw ei Phasen einteilen: eine frühe Phase, in der
noradrenerge sympathische Neuronen entstehen, und in eine späte Phase, in der die Spezialisierung der
Nervenzellen durch Signale aus den innervierten Zielgew eben gesteuert w ird. In beiden Phasen spielen
extrazelluläre Signale eine entscheidende Rolle. W ährend diejenigen Faktoren, w elche die Entstehung und
initiale noradrenerge Differenzierung sympathischer Neuronen induzieren, als osteogene Proteine (BMPs)
charakterisiert w erden konnten [3], blieb die Identität der Faktoren, w elche die späte Spezialisierung
bew irken, ungeklärt. Durch die selektive Eliminierung des verantw ortlichen Signalw egs konnte jetzt die
Identität und physiologische Relevanz dieser Signale für die cholinerge Differenzierung sympathischer
Neuronen erstmals in vivo bew iesen w erden [4].
Zie lorga na bhä ngige Diffe re nzie rung sym pa thische r
Ne rve nze lle n. Sche m a tische Da rste llung m it nora dre ne rge n
sym pa thische n Ne rve nze lle n (bla u) in sym pa thische n Ga nglie n
(SYM), de re n Ax one in zwe i Ta ge a lte n (P 2) Mä use n
ve rschie de ne Zie lorga ne inne rvie re n, z.B. Blutge fä ße ,
Schwe ißdrüse n und de n Da rm . Bis zu P 21 diffe re nzie re n
se le k tiv die je nige n Ne rve nze lle n, we lche die Schwe ißdrüse n
inne rvie re n, zu choline rge n sym pa thische n Ne rve nze lle n a us
(rot). Die se r Vorga ng wird durch Fa k tore n a usge löst, we lche
von de n Schwe ißdrüse n produzie rt we rde n. Da rge ste llt sind
se nsorische Ga nglie n (DR G) und die Inne rva tion
sym pa thische r Ne urone n durch Ax one prä ga nglionä re r
Ne urone n im R ück e nm a rk (R M).
© Ma x -P la nck -Institut für Hirnforschung/R ohre r
Molekulare Kontrolle der frühen, noradrenergen Differenzierung sympathischer Nervenzellen
Die initiale Entstehung noradrenerger autonomer Nervenzellen w ird durch osteogene Differenzierungsfaktoren
© 2007 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
2/7
Jahrbuch 2006/2007 | Rohrer, Hermann | Signale aus Zielorganen bestimmen die Differenzierung von
Nervenzellen
(BMPs) ausgelöst, die in unmittelbarer Nachbarschaft der sympathischen Ganglienanlagen produziert w erden
[5]. Die BMPs induzieren in den Vorläuferzellen die Expression einer Gruppe von Transkriptionsfaktoren (Ascl1,
Phox2a/b, Hand2, Gata2/3), w elche direkt oder indirekt die Expression charakteristischer noradrenerger Gene,
aber auch den generellen neuronalen Differenzierungsprozess steuern (Abb. 2). Essenziell für die Produktion
des noradrenergen Transmitters Noradrenalin sind die Enzyme Tyrosinhydroxylase (TH) und Dopamin-βHydroxylase (DBH). Die Regulation der Expression ist für das DBH-Gen detailliert untersucht w orden, w obei
eine direkte Transkriptions-Stimulierung durch Phox2a/b und Hand2 nachgew iesen w urde. Weil eine
Eliminierung des Transkriptionsfaktors Hand2 zu einem Verlust noradrenerger, nicht jedoch pan-neuronaler
Eigenschaften führt, und zudem die Hand2-Überexpression eine Stimulierung noradrenerger Differenzierung
bew irkt, kann gefolgert w erden, dass Hand2 selektiv in die Kontrolle noradrenerger Entw icklung involviert ist
[6, 7].
Sche m a tische Da rste llung de r Entste hung nora dre ne rge r
Ne rve nze lle n a us Sta m m ze lle n de r Ne ura lle iste (NLZ). Unte r
de m Einfluss von e x tra ze llulä re n Diffe re nzie rungsfa k tore n a us
de r Fa m ilie de r oste oge ne n P rote ine (BMP s) wird die
P roduk tion von Tra nsk riptionsfa k tore n a usge löst (Ascl1,
P hox 2a /b, Ha nd2, Ga ta 2/3). Die Ex pre ssion die se r Fa k tore n
cha ra k te risie rt die sym pa thische n Vorlä ufe rze lle n und führt zur
Ex pre ssion von Ge ne n, die spe zifisch für nora dre ne rge Ze lle n
(TH, DBH) sind bzw. ge ne re ll von Ne rve nze lle n e x prim ie rt
we rde n (SC G10, NF160). Aus te ilungsfä hige n sym pa thische n
Ne urobla ste n e ntste he n schlie ßlich postm itotische
sym pa thische Ne rve nze lle n.
© Ma x -P la nck -Institut für Hirnforschung/R ohre r
Molekulare Kontrolle der späten, cholinergen Differenzierung sympathischer Nervenzellen
Nachdem
beobachtet
w orden
w ar,
dass
noradrenerge
sympathische
Neuronen
einen
cholinergen
Neurotransmitterphänotyp annehmen können und dass dieser Vorgang für die Entstehung der cholinergen
Innervation sympathischer Zielgew ebe in vivo verantw ortlich ist, stellte sich die Frage nach der Identität der
dafür verantw ortlichen Faktoren. In vitro w urden der leukemia inhibitory factor (LIF) und die LIF-verw andten
Faktoren CNTF, CT-1, OSM, CLC/CLF und Neuropoietin (CT-2) als cholinerge Differenzierungsfaktoren
identifiziert [1, 2]. Sie bilden eine Familie strukturverw andter Faktoren, die auch als gp130-Zytokine
bezeichnet w erden. Die Bezeichnung gp130-Zytokine beruht darauf, dass alle Zellmembranrezeptoren, die
diese Faktoren erkennen, gp130 als signaltransduzierende Untereinheit enthalten.
Neben den gp130-Zytokinen w urden w eitere Faktoren identifiziert, die vorw iegend in vitro eine cholinerge
Differenzierung in sympathischen Neuronen auslösen. Dazu zählen GDNF-verw andte Faktoren, Activin und NT3 [8]. Da
w eder für die
gp130-Zytokine, noch für die
anderen Faktoren eine
Beteiligung in der
zielorganinduzierten cholinergen Differenzierung nachgew iesen w erden konnte, blieb die Identität des
physiologisch relevanten Faktors unklar. Eine mögliche Erklärung für fehlende Effekte des CNTF- und
© 2007 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
3/7
Jahrbuch 2006/2007 | Rohrer, Hermann | Signale aus Zielorganen bestimmen die Differenzierung von
Nervenzellen
LIF-knockouts stellt die Kompensation durch andere Mitglieder der Familie dar. Aus diesem Grund w urde ein
experimenteller Ansatz gew ählt, bei dem durch Eliminierung der gp130-Rezeptor-Untereinheit die W irkung
aller Mitglieder der gp130-Zytokinfamilie verhindert w erden kann. Unter Verw endung einer Mauslinie, w elche
die Cre-Rekombinase unter der Kontrolle der regulatorischen Regionen des DBH-Gens exprimiert, gelang es
nach Kreuzung mit gp130fl/fl Tieren, gp130 selektiv in DBH-exprimierenden sympathischen Neuronen zu
eliminieren [4]. Die frühe Expression von DBH führt in den gp130 DBHC re Tieren bereits w ährend der
Embryonalentw icklung zum Verlust der gp130-Expression. Jetzt konnte der w ichtigen Frage nachgegangen
w erden, w elchen Effekt die Abw esenheit von gp130, mithin die Funktionsblockierung der gp130-Zytokine, in
sympathischen Neuronen hat.
Die Innervation der Schw eißdrüsen in gp130 DBHC re Tieren w eist einen fast vollständigen Verlust der
Expression cholinerger Charaktere auf: Die Expression von VAChT, ChT1 und des Neuropeptids VIP, das in
cholinergen Neuronen ko-exprimiert w ird, ist praktisch nicht mehr nachzuw eisen (Abb. 3, [4]). Die Expression
pan-neuronaler Marker w ie βIII-Tubulin (Tuj1, Abb. 3) und die TH-Expression (nicht gezeigt) ist dagegen
unverändert. Der Verlust der cholinergen Differenzierung der Schw eißdrüseninnervation spiegelt sich auch in
einer starken Reduzierung der Zahl cholinerger, VIP-exprimierender Neuronen in sympathischen Ganglien
w ider. Dieser starke Rückgang legt nahe, dass der überw iegende Anteil cholinerger sympathischer Neuronen
unter dem Einfluss von gp130-Zytokinen cholinerg differenziert.
© 2007 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
4/7
Jahrbuch 2006/2007 | Rohrer, Hermann | Signale aus Zielorganen bestimmen die Differenzierung von
Nervenzellen
Die Inne rva tion de r Schwe ißdrüse n in gp130-de fizie nte n
Mä use n we ist k e ine choline rge n Eige nscha fte n a uf. In
Ge we be schnitte n a us de r Ha ut von Kontrolltie re n und von
gp130 -/- Tie re n (gp130 DBHCre) wurde die Ex pre ssion de s pa nne urona le n Ma rk e rs Tuj1 (β-III-Tubulin), de s Ne urope ptids
VIP und de s choline rge n Ma rk e rs VAC hT im m unhistologisch
na chge wie se n. Die Ex pre ssion von VIP und VAC hT fe hlt fa st
vollstä ndig in de r Schwe ißdrüse ninne rva tion von gp130 -/Tie re n (Einze lfä rbung: F und M; qua ntita tive Ana lyse in de n
Ba lk e ndia gra m m e n re chts). Da ge ge n ist die Inne rva tion,
na chge wie se n durch Tuj1, in gp130 -/- Tie re n nicht be troffe n
(B, E, H, L). In Bild A, D, G und K sind die Fä rbunge n für Tuj1
(grün) und VIP bzw. VAC hT (rot) übe rla ge rt. Die Ze llk e rne sind
m itte ls da pi bla u a nge fä rbt.
© Ma x -P la nck -Institut für Hirnforschung/R ohre r
Nachdem die Bedeutung der gp130-Zytokine durch den gp130-753 knockout gezeigt w orden w ar, stellte sich
die w eiter gehende Frage, w elches Mitglied aus der gp130-Familie in vivo verantw ortlich ist. Dazu w urde die
Expression der jew eiligen Gene in isolierten Schw eißdrüsen einerseits durch Nachw eis der individuellen RNAs
mittels RT-PCR, anderseits durch in situ Hybridisierung untersucht. CNTF, CLC, CLF, CT-1 und NP (CT-2) w urden
im Zielgew ebe nachgew iesen und kommen somit als cholinerge Differenzierungsfaktoren in Frage (Abb. 4,
[4]).
© 2007 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
5/7
Jahrbuch 2006/2007 | Rohrer, Hermann | Signale aus Zielorganen bestimmen die Differenzierung von
Nervenzellen
Zytok ine x pre ssion in Schwe ißdrüse n. Schwe ißdrüse nge we be
(A ) wurde a us Toluidin-ge fä rbte n Ge we be schnitte n durch
La se r-Mik rodisse k tion (B) isolie rt. (C) R T-P C R Na chwe is de r
Ex pre ssion de r Zytok ine LIF, C NTF, C LC , C T-1 und NP (C T-2)
in Schwe ißdrüse nge we be . In E15,5-Em bryos wurde n a lle
Zytok ine na chge wie se n, LIF und O SM fe hlte n hinge ge n in P 4
Schwe ißdrüse n. (D, E) Na chwe is de r Ex pre ssion von C LC (D)
und C LF (E) durch in situ-Hybridisie rung in Schnitte n von
Schwe ißdrüse nge we be (bla u ge fä rbte Ze lle n). (F)
Sche m a tische Da rste llung de r Diffe re nzie rung funk tione ll
unte rschie dliche r sym pa thische r Ne rve nze lle n durch Fa k tore n
a us de n Zie lorga ne n. gp130-Zytok ine induzie re n die
choline rge Diffe re nzie rung. W a hrsche inlich wird die
funk tione lle Spe zia lisie rung a nde re r ne urona le r Subtype n
e be nfa lls durch Fa k tore n a us de n Zie lge we be n be stim m t.
© Ma x -P la nck -Institut für Hirnforschung/R ohre r
Der
Nachw eis
der
physiologischen
Relevanz
der
gp130-Zytokine
für
die
cholinerge
Differenzierung
sympathischer Nervenzellen bestätigt das Prinzip, dass Zielorgane die Spezialisierung von Nervenzellen
steuern. Dies w ar auch für sensorische Nervenzellen und Motoneuronen deutlich gew orden [9]. Es sollen nun
die Faktoren in anderen Zielorganen, w ie z.B. Blutgefäßen, identifiziert w erden, w elche die Differenzierung der
innervierenden sympathischen Neuronen steuern.
Originalveröffentlichungen
Nach
Erw eiterungen
suchenBilderw eiterungChanneltickerDateilisteHTML-
Erw eiterungJobtickerKalendererw eiterungLinkerw eiterungMPG.PuRe-ReferenzMitarbeiter
Editor)Personenerw eiterungPublikationserw eiterungTeaser
(Employee
mit
BildTextblockerw eiterungVeranstaltungstickererw eiterungVideoerw eiterungVideolistenerw eiterungYouTubeErw eiterung
© 2007 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
6/7
Jahrbuch 2006/2007 | Rohrer, Hermann | Signale aus Zielorganen bestimmen die Differenzierung von
Nervenzellen
[1] Burau, K.; Stenull, I.; Huber, K.; Misawa, H.; Berse, B.; Unsicker, K.; Ernsberger, U.
c-ret regulates cholinergic properties in mouse sympathetic neurons: evidence from mutant mice.
European Journal of Neuroscience 20, 353-362 (2004)
[2] Ernsberger, U.; Rohrer, H.
Development of the cholinergic neurotransmitter phenotype in postganglionic sympathetic neurons.
Cell and Tissue Research 297, 339-361 (1999)
[3] Francis, N.J.; Landis, S.C.
Cellular and molecular determinants of sympathetic neuron development.
Annual Review of Neuroscience 22, 541-566 (1999)
[4] Goridis, C.; Rohrer, H.
Specification of catecholaminergic and serotonergic neurons.
Nature Review s of Neuroscience 3, 531-541 (2002)
[5] Lucas, M.E.; Müller, F.; Rüdiger, R.; Henion, P.D.; Rohrer, H.
The bHLH transcription factor hand2 is essential for noradrenergic differetiation of sympathetic neurons.
Development 133, 4015-4024 (2006)
[6] Müller, F.; Rohrer, H.
Molecular control of ciliary neuron development: BMP and downstream transcriptional control in the
parasympathetic lineage.
Development 129, 5707-5717 (2002)
[7] Schneider, C.; Wicht, H.; Enderich, J.; Wegner, M.; Rohrer, H.
Bone morphogenetic proteins are required in vivo for the generation of sympathetic neurons.
Neuron 24, 861-870 (1999)
[8] Stanke, M.; Duong, C.V.; Pape, M.; Geissen, M.; Burbach, G.; Deller, T.; Gascan, H.; Otto, C.; Parlato,
R.; Schütz, G.; Rohrer, H.
Target-dependent specification of the neurotransmitter phenotype: cholinergic differentiation of
sympathetic neurons is mediated in vivo by gp130 signaling.
Development 133, 141-150 (2006)
[9] Hippenmeyer, S.; Kramer, I., Arber, S.
Control of neuronal phenotype: what targets tell the cell bodies.
Trends in Neuroscience 27, 482-488 (2004)
© 2007 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
7/7