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Spiegelt die strukturelle Diversität von Neuregulin-1 seine funktionelle Diversität wieder? : Expression und Funktion von Neuregulin-1 und seinen Rezeptoren im intakten und verletzten ZNS

Kerber, Gabriele


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Neuregulin-1 , Diversität
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried
Fachgebiet: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.08.2000
Erstellungsjahr: 2000
Publikationsdatum: 26.09.2000
Kurzfassung auf Deutsch: Die Neureguline und ihre Rezeptoren, die erbB-Tyrosinkinasen, formen ein Signaltransduktionsnetzwerk, dessen Funktion entscheidend an der
embryonalen und postnatalen Entwicklung von Wirbeltieren beteiligt ist. Neuregulin-1, dessen Expression im intakten und verletzten ZNS in der
vorliegenden Arbeit untersucht wurde, beeinflußt die Proliferation, Differenzierung, Reifung und Migration von Neuronen und Gliazellen. Daß
Neuregulin-1 aufgrund alternativen Spleißens eine große Anzahl verschiedener Proteine hervorbringen kann, führt zu der Annahme, daß
verschiedene Isoformen dieses Proteins verschiedene biologische Aktivitäten entfalten könnten. Ebenso könnten die unterschiedlichen
Neuregulin-Wirkungen auch durch die Aktivierung unterschiedlicher erbB-Dimere in Abhängigkeit von der Rezeptor-Präsentation der Zielzelle
hervorgerufen werden.


Um sich der Aufklärung des Mechanismus der funktionellen Vielfalt von Neuregulin-1- erbB Wechselwirkungen anzunähern, wurden die
Expressionsmuster verschiedener Neuregulin-1 Isoformen und erbB-Rezeptor Tyrosinkinasen im adulten Gehirn analysiert. Ferner wurden
Veränderungen der Neuregulin-1-, bzw. erbB-Expression untersucht, die im Fazialiskern nach einer peripheren Axotomie des Nervus facialis zu
beobachten waren. Dadurch sollte Aufschluß über die Funktionen verschiedener Neuregulin-1 Isoformen im adulten Nervensystem und während der
Regeneration erhalten werden. Die Detektion von Neuregulin-1-[alpha] im adulten Gehirn führte zusätzlich zu einer Untersuchung der Wirkung
dieser bisher als mesenchymal geltenden Spleißvariante auf Zellen des ZNS:


Die Untersuchungen zeigten Neurone als Hauptquelle der Neuregulin-1 Expression im Zentralnervensystem, wobei einige Isoformen eine ubiquitäre
Verteilung aufwiesen, während andere nur in einzelnen Neuronentypen vorkamen. Außerdem zeigten Neurone mit unterschiedlichen
Transmitterspezifitäten die Expression unterschiedlicher “Neuregulin-1-Cocktails”.


In Astrozyten konnte, anders als in Neuronen, nur eine einzige Neuregulin-1 Isoform detektiert werden. Hierbei handelte es sich um Neuregulin-1
Typ-I-[alpha] 2, das bisher als rein mesenchymale Isoform diskutiert wurde. In Mikroglia wiederum konnte weder die Expression von Neuregulin-1
noch die eines funktionellen Rezeptor-Sets gefunden werden, weshalb Mikroglia aus dem über Neuregulin-erbB-Wechselwirkungen
kommunizierenden Zellsystem ausgeschlossen werden kann. In allen anderen untersuchten Zelltypen und Hirnregionen konnte eine ubiquitäre
Expression von erbB-2, erbB-3 und erbB-4 gefunden werden. Das läßt darauf schließen, daß weniger die Präsentation verschiedener Rezeptoren,
als die verschiedener Liganden-Isoformen zu unterschiedlichen biologischen Aktivitäten führt.


Einige der im adulten ZNS exprimierten Neuregulin-1 Isoformen werden im Fazialiskern nach einer peripheren Nervenläsion drastisch in ihrer
Expressionsrate reduziert, was eine Beteiligung dieser Proteine unter anderem an der synaptischen Übertragung bzw. an der
Synapsen-Stabilisierung nahelegt. Einen der Hauptkandidaten in diesem Zusammenhang stellt Neuregulin-1 Typ-III-[beta] 5 dar. Neureguline des
Typs-I dagegen werden in Astrozyten vermehrt exprimiert. Es dürfte sich hierbei in erster Linie um Typ-I-[alpha] 2 handeln, das möglicherweise ein
Modulator astrozytärer Aktivität. Die Isoformen [beta] 2 und [beta] 4 werden in einer späten Regenerationsphase vermehrt exprimiert, was auf eine
Rolle in der Remyelinisierung der neu-ausgewachsenen Axone hinweist. Die ebenfalls beobachtete Verminderung der erbB-4-Expression im
Fazialiskern nach peripherer Nervenläsion könnte möglicherweise auf die fehlende neuronale Aktivität zurückzuführen sein.


Die vergleichenden Untersuchungen der Wirkungen von Neuregulin-1 [alpha] - und [beta] -Isoformen zeigen, daß beide Spleißvarianten sowohl die
Apoptose als auch die Proliferation von Astrozyten stimulieren. Während [alpha] - und [beta] -Isoformen die Apoptoserate der stimulierten Zellen
ungefähr gleich stark beeinflussen, ist Neuregulin-1-[beta] der weit potentere Proliferationsfaktor für Astrozyten. Beide Neuregulin-1 Spleißvarianten
stellen mögliche Regulatoren der astrozytären Differenzierung im ZNS dar.
Kurzfassung auf Englisch: Neuregulin-1 isoforms, products of alternative splicing and probably the activity of different promoters, form a family of transmembrane and
extracellular matrix molecules. Neuregulin-1 is expressed by neurons and glial cells of the developing and adult CNS. Presently, our knowledge
about the functional diversity of Neuregulin-1 isoforms and their receptors is rapidly increasing. To further elucidate their functions in the CNS, a
detailed analysis of cell-specific splicing of Neuregulin-1 and the distribution of its receptors is essential. Therefore, we investigated the expression
patterns of Neuregulin-1 splice variants and their receptors, the erbB tyrosine kinases, in the brain.


We found an exclusive expression of Neuregulin-1 type-I-[alpha] 2 in astrocytes and an expression of type-II-[beta] 1, -[beta] 2 and type-III-[beta] 1 in
substantia nigra neurons. Cortical neurons and peripheral motor neurons displayed a wide range of Neuregulin-1 [beta] -isoforms, whereas
microglia did not express any Nrg-1 product. The widespread expression of erbB receptors and the distinct expression of Neuregulin-1 variants
support the idea that the structural diversity of Neuregulin-1 is highly related to its functional diversity. To further investigate the possible function of
[alpha] -isoforms in the brain, we examined the action of Neuregulin-1 [alpha] - compared to [beta] -isoforms on astrocytes. Both isoforms induced
apoptosis followed by increased proliferation, which was more marked under Neuregulin-1-[beta] treatment.


To address the question of a correlation between structural and functional diversities of Neuregulin-1 in the nervous system, we examined the
involvement of distinct Neuregulin-1 isoforms in dedifferentiation and regeneration processes of the adult rat brain. Using immunohistochemistry, in
situ hybridization and semiquantitative RT-PCR, the regulation of Neuregulin-1 expression was observed in the facial motor nucleus after
transection of the peripheral nerve. This studies revealed an upregulation of Neuregulin-1 type-I, most probably type-I-[alpha] 2, in reactive astrocytes
already one day after axotomy, suggesting this isoform as an early modulator of astrocytic activity, probably acting via para- or autocrine loops. In
contrast, Neuregulin-1 type-III and the splice variants [beta] 1 and [beta] 5 are dramatically downregulated in axotomized motor neurons which lack
contact to their target tissue. Baseline expression levels are reestablished when the first axons reached the facial muscles again. Therefore
Neuregulin-1-[beta] 1 and -[beta] 5 might act as stabilizers of neuromuscular junctions. Also the splice variants [beta] 2 and [beta] 4 display an initial
downregulation of mRNA levels, but this decrease is succeeded by an upregulation during the period of remyelination of regenerated axons. Thus,
Neuregulin-1-[beta] 2 and -[beta] 4 might be involved in myelination processes.