Abstract

Diss. ETH Nr 11854
Modulation of cell death
in
cultured cerebellar
and
by cytokines
granule neurons
growth factors
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZUERICH
for the
degree
of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Ariane
Dipl.
Biol.
Myriam
University
de Luca
of Neuchätel
born 14.9.1962
Citizen of Neuchätel
Accepted
on
Prof. Dr.
(CH)
the recommendation of
J.-C. Perriard,
:
examiner
Prof. Dr. A. Fontana and Prof. Dr. U. Suter, co-examiners
1996
1
1
Zusammenfassung
Entwicklung
Die
verschiedener
teilweise
von
festgelegt
des
neuronalen
haben
Zelltod,
Nervensystems dagegen
des
Erscheinung. Beobachtungen
beiden
von
Zytokine
ist eine
Nekrose
and/oder
neurodegenerativen Erkrankungen
pathologische
Bedeutung
chronischen
in
wie in akuten
so
Neuronen
von
in Tiermodellen weisen auf die
Apoptose
und
eine entscheidende
Das Absterben
Entwicklung.
Rolle während der neuronalen
Entwicklung
oder
Zellwachstum,
die
beteiligt sind, spielt
Wachstumsfaktoren wesentlich
nach der
Zytokine
auf
Regulation
dessen
an
zumindest
wird
Expression genetisch
beispielweise
Auswirkungen
Entstehung
Plastizität and Ueberleben der Zellen. Der
Differenzierung, synaptische
neuronale
Prozess
deren
gesteuert,
Faktoren,
Diese
Wachstumsfaktoren,
Dieser
Zelltypen.
sezernierten Faktoren
ist.
beinhaltet die
Zentralnervensystems
Gehirnschädigungen
hin, bei denen eine erhöhte Zytokin-und Wachstumsfaktorexpression im
betroffenen Gewebe und in den
gemessen werden
Körpersflüssigkeiten
kann.
Das Ziel der
Zytokine
Arbeit bestand darin, den Einfluss verschiedener
vorliegenden
and
Wachstumsfaktoren auf den Zelltod
Neuronen und deren unreifen Vorläuferzellen
wurden
in
zwei
verschiedenen
programmierte Zelltod,
exzitotoxischer
und
eine tiefe extrazelluläre Kaliumkonzentration
differenzierter
Neuronen
als
auch
in
induziert. Dazu dienten Primärkulturen
von
an
sieben
Tagen
alten Ratten, deren
Kulturbedingungen
sind. Diese sind
hochempfindlich
diesem
zu
für
und in vitro
Apoptose
Hilfe
Apoptose,
Nekrose,
untersucht werde können.
degenerativer Prozess,
deren
mit
Zelltodes,
neuronalen
des
Arten
differenzierten
charakterisieren. Dazu
zu
verwendet,
vitro Modellen
von
Apoptose
die
der
passiver
ein
wurde durch
(5 mM) sowohl
in Kulturen
Kulturen
deren Vorläuferzellen
postnataler
zerebellärer Neuronen
Kulturkomposition, Anforderungen
Differenzierungsverlauf gut
bekannt
noch undifferenziert und somit
Zeitpunkt
induzierende
Signal,
können aber in Kultur
differenziert werden.
Es
wurde
inhibitory
IO)
und
festgestellt,
factor (LIF),
ciliary neurotrophic
interleukin-13
verlängern,
derived
dass tumor-necrosis
während
(IL-13)
factor
(TNF-a),
leukemia
(CNTF), interleukin-10 (IL¬
Ueberleben
unreifer
Neuronen
transforming-growth factor-ß (TGF-ß)
und brain-
neurotrophic
factor
das
factor-a
(BDNF)
deren
apoptotischen
Tod
2
beschleunigen.
sind
spezifisch
Wirkungen
Die
Einfluss.
Glutamat
bei in vitro differenzierten Neuronen haben sie keinen
Auf
induzierten
gefunden
exzitotoxische
durch
den
werden. Der
Zytokine
ß
diese
antagonisieren
antiapoptotische
Zytokine
die
in
an
differenzierten
und Wachstumsfaktoren ebenfalls
IL-10 und IL-13 beruht wieder auf einer
noch
Konzentrationen
konnte
Zelltod
nekrotischen
Neuronen ein Einfluss diser
nicht
and Wachstumsfaktoren
für unreife neuronale Vorläuferzellen in dieser bestimmten
Entwicklungsstufe,
solchen
Zytokine
dieser
Effekt
von
Erhöhung
TNF-a, LIF, CNTF,
der Bcl-2
Expression,
proapoptotische Wirkung
von
TGF-
and BDNF.
Differenzierte und unreife zerebelläre Neuronen sezernieren
biologische
Aktivität
zwischen der
in vitro
Antikörper
waren
Resultate
Ueberlebens
gefunden
nicht in der
deuten
von
Entwicklung
des
der
TGF-ß
und dem Ueberleben der
werden. Auch neutralisierende
Lage, Apoptose
eine
zerebellären
Wachstumsfaktoren, die
der
auf
dessen
unklar bleibt. So konnte keine Korellation
Sezernierungskinetik
Neuronen
Diese
allerdings
TGF-ß,
zu
anti-TGF-ß
verhindern.
reifungsabhängige Regulation
Neuronen
durch
Zytokine
des
und
in einem bestimmten zeitlichen Muster während
Säugtiersgehirns exprimiert sind,
hin.
3
Summary
2
variety of
The
as
phenotypes
the action of
through
such
cell
cytokines
System
as
mediators in the
based
was
Neuronal cell loss
program, while
a
the
involvement
during development
neuron
in chronic
CNS,
wherein
concentrations of
and
in
is the
degeneration
The
of the
programmed
of
experimental
ability
increased
and
a
animals have
nervous
cell
death.
physiological
sign
implied
a
and
expression
factors
can
of
a
both
cell
passive
circulating
be measured.
investigating cytokines
aimed at
was
of
disorders and in acute insults
tissue
growth
signals
recognition
pathology
expression
part,
proliferation,
adult tissues is the
in
neurodegenerative
cytokines
The present work
for their
development
cell
on
synaptic plasticity.
in
Secreted
controlled differentiative process, and/or necrosis,
degeneration,
of
on
State. Observations in
pathological
apoptosis,
their
in
Signals.
factors have broad effects
differentiation and survival, and
these factors
System arises,
nervous
differentiation
epigenetic
growth
and
found in the
and
growth
factors
modulate neuronal death in vitro, in the two defined
to
types of cell death, excitotoxic necrosis and apoptosis induced by potassium
deprivation
Primary
in either
cultures of
a
in vitro differentiated
postnatal
model in terms of culture
maturation. Since
vivo is most
cerebellar
composition,
programmed
a
granule
7 for in vitro studies
population
well-studied
trophic requirements
the second and third week
postnatal day
immature neuronal precursor
offer
neurons
in vitro
phenotype.
immature
an
cell death of cerebellar
prominent during
neuroblasts harvested at
granule
or
that is
and
neurons
in
postnatally,
represent
an
highly susceptible
to
apoptosis.
We found that tumor-necrosis factor-a
(LIF), ciliary neurotrophic
interleukin-13
whereas
(IL-13) prolong
cytokines
and
factor
growth
specific stage
same neurons
are
of
to alter
cerebellar
factor-ß (TGF-ß)
granule
and
neurons,
brain-derived
accelerated cell death. The actions of these
are
specific
development.
for immature
No such effects
are
granule
neurons
at
observed when the
When
the
cytokines
and
growth
factors for their
glutamate receptor-mediated excitotoxicity
of differentiated
granule
antiapoptotic
factors
of immature
and
first allowed to differentiate in vitro and then induced to
undergo apoptosis.
capacity
(BDNF)
factor
(CNTF), interleukin-10 (IL-10)
survival
transforming-growth
neurotrophic
this
factor
(TNF-a), leukemia inhibitory
testing
neurons,
no
significant
effect is observed either. The
effect of TNF-a, LIF, CNTF, IL-10 and IL-13 does not involve
4
of
modulation
antagonize
bcl-2
protein expression
the action of the
Differentiated
biologically
and
proapoptotic growth
immature
the secretion kinetics and the
TGF-ß,
and
since
even
These
granule
active, TGF-ß. However,
of the immature
neurons
neuron
no
these
factors
neurons
an
cytokines
TGF-ß
secrete
correlation
viability
is not due to
antibodies
neutralizing
and
can
against TGF-ß
by
not
and BDNF.
latent, but
not
be drawn between
in vitro. Moreover,
activation
do
apoptosis
the cells of latent
fail to prevent
apoptosis
to enhance survival.
data
appear
cerebellar
granule
expressed
in
a
to
define
neuron
a
survival
maturation-dependent
by cytokines
developmental pattern
and
growth
modulation
factors that
in the mammalian brain.
of
are