RT Dissertation/Thesis
T1 Die Rolle von hmmr während Neurulation und Hirnentwicklung im Afrikanischen Krallenfrosch Xenopus laevis
A1 Hagenlocher,Cathrin
WP 2016/06/07
AB Die Cerebrospinalflüssigkeit (CSF) füllt das komplette Ventrikelsystem des Hirns, den Spinalkanal und den subarachnoidalen Raum aus. Die CSF dient der mechanischen Pufferung des Hirns, transportiert Signalmoleküle und eliminiert Abfallprodukte des Ependyms. Der Plexus choroideus (PC) sekretiert die CSF welche mittels motiler Cilien innerhalb der Ventrikelräume transportiert werden. Eine übermäßige Bildung, verminderter Transport sowie verringerte Absorption der CSF können zu Hydrocephalus führen, einer pathologischen Erweiterung der Hirnventrikel. Durch Mutationen in Mensch und Maus ist bekannt, dass dysfunktionale und immotile Cilien ebenfalls zum Krankheitsbild des Hydrocephalus führen. Auf welche Weise die Beeinträchtigung von Cilienmotilität zur Ausbildung eines Hydrocpehalus führt ist bislang nicht geklärt.
In der vorliegenden Arbeit wurde der embryologische Modellorganismus Xenopus laevis verwendet, um die Entstehung von Cilienmotilitäts-basiertem Hydrocephalus zu analysieren. Die Entwicklung von Cilien im Hirn von Xenopus laevis wurde bis hin zur Metamorphose beschrieben. Dabei korrelierte die Genexpression von foxj1, dem übergeordneten Regulator der Biogenese motiler Cilien, mit der Ausbildung elongierter Monocilien und dem Übergang zu Multicilien-tragenden, ependymalen Zellen. Die Cilien foxj1-positiver Zellen waren motil und erzeugten eine gerichtete CSF-Strömung. Der Funktionsverlust von foxj1 beeinträchtigte und ablatierte motile Cilien und erzeugte eine hydrocephalische Aufweitung des vierten Ventrikels. Dabei korrelierte die Entstehung von Hydrocephalus mit einer Verlangsamung der ciliengetriebenen CSF-Fließgeschwindigkeit auf unter 300 µm/s. Für Atemwegscilien ist eine Regulation des Cilienschlags durch HMMR beschrieben, wobei ein Funktionsverlust von HMMR die Cilienschlagfrequenz verlangsamt. Passend dazu führte der Funktionsverlust von hmmr in Xenopus laevis zu verlangsamter CSF-Strömung und resultierte in einem Hydrocephalus des vierten Ventrikels. Dies legt nahe, dass insbesondere im vierten Ventrikel eine CSF-Fließgeschwindigkeit von über 300 μm/s nötig ist, um einen homöostatischen Flüssigkeitsdruck im gesamten Ventrikelsystem aufrechtzuerhalten.
Darüber hinaus induzierte der Funktionsverlust sowohl von foxj1 als auch von hmmr Fehlbildungen im Bereich der dorsalen Mittellinie des Vorder- und Mittelhirns. Dies betraf vor allem den PC sowie das subkommissurale Organ und somit cilienbesetzte Strukturen, welche bereits mit der Entstehung von Hydrocephalus verknüpft wurden. Die Hirndefekte nach Funktionsverlust von hmmr entsprachen dem Krankheitsbild der Holoprosencephalie (HPE). Diese kongenitale Fehlbildung wird meist durch Mutationen im Shh-Signalweg ausgelöst und geht mit Hydrocephalus einher. Überraschenderweise war HPE nach Funktionsverlust von hmmr unabhängig vom Shh-Signalweg. Vielmehr war die Entwicklung des Vorderhirns gestört, da hmmr für Mikrotubuli-vermittelte Zelladhäsion während der morphogenetischen Bewegungen der Neurulation notwendig war.
Diese Arbeit zeigte zum ersten Mal, dass die CSF in Xenopus laevis durch motile Cilien transportiert wird und bestätigte, dass fehlende und dysfunktionale, motile Cilien zu kongenitalem Hydrocephalus führen. Neu ist, dass motile Cilien eine Rolle für die Morphogenese des Vorder- und Mittelhirns spielen. Die Enstehung eines Hydrocephalus im Zusammenhang mit Vorderhirndefekten in foxj1- und hmmr-Morphanten legt nahe, dass ein cilienabhängiger Hydrocephalus durch die Fehlbildung dorsaler Mittellinienstrukturen entstehen kann. Die vorliegende Arbeit hat somit die Grundlage geschaffen, um Xenopus laevis als Modellsystem für die Entstehung von Hydrocephalus bei ciliärer Dyskinesie und Vorderhirndefekten zu etablieren.
K1 Krallenfrosch
K1 Wasserkopf
K1 Embryonalentwicklung
K1 Gehirn
K1 Neurulation
PP Hohenheim
PB Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim
UL http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2016/1212