Zell-autonome Funktion der Dyrk1A-Kinase Überaktivität in der neuronalen Reifung

• Antragsteller: Professor Dr. Reinhard W. Köster
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung seit 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 241961032

Das in der Evolution hochkonservierte Kleinhirn kontrolliert Bewegungsabläufe, sozio-emotionales Verhalten sowie höhere kognitive Funktionen. Purkinjezellen (PCs) repräsentieren dabei zentrale Neurone im Kleinhirn, da sie Eingangssignale von zahlreichen Synapsen zu einem Ausgangssignal des Kleinhirns prozessieren. PCs bilden in nahezu transparenten Zebrafischlarven eine spezifische Zellschicht unterhalb der Hinterhirn-Kopfhaut aus. Diese PCs sind somit für Bildgebungsverfahren zur Analyse ihrer Dendritenentwicklung, Synapsenbildung und axonalen Projektion und damit ihrer Reifung besonders gut geeignet. Um einzelne PCs zu charakterisieren, ist die Etablierung einer mosaiken Einzelzell-Expressionstechnik notwendig. Während ihrer Differenzierung bilden PCs funktionale Subkompartimente, um unterschiedliche Verhaltensweisen regulieren zu können, was nahelegt, dass PC-Axone ebenfalls eine kompartimentierte Projektion zeigen. Mit der PC-Reifung erhöht sich in Abhängigkeit ihrer Aktivität die Dichte der Spines auf ihren Dendriten. Diese Spinedichte sowie die Komplexität von PC-Dendriten wird jedoch durch Überexpression der in PCs endogen exprimierten Kinase Dyrk1A verringert. Eine solche Überexpression erfolgt in Individuen mit Down Syndrom (DS), da Dyrk1a auf dem DS-Cluster des humanen Chromosoms 21 liegt. Leucettinib ist ein neu entwickelter hoch-affiner Dyrk1A Inhibitor, dessen Wirkung in vivo bisher nicht in Nervenzellen mit einer Dyrk1A-Überfunktion untersucht wurde. Wir beabsichtigen daher von uns entwickelte chemisch- und licht-induzierbare selbstprozessierende Cre-Rekombinase-Kassetten für eine effiziente mosaike Fluoreszenzmarkierung von PCs weiterzuentwickeln, um die Morphologie einzelner PCs mittels Konfokalmikroskopie darstellen zu können. Fluoreszenzmarkierte Dendriten und Axonen von individuellen PCs in transgenen Fischen mit gleichzeitiger Fluoreszenz in der gesamten PC-Population ermöglichen die Registrierung einzelner PCs auf den standardisierten Hirnatlas mapzebrain. Hierdurch wird eine kompartimentierte Organisation der PCs von Zebrafischen auf struktureller Ebene deutlich werden. Eine Koexpression dieser axonalen und dendritischen Reporter mit Dyrk1A soll nicht nur den Einfluss der Dyrk1A-Überaktivität auf PCs verdeutlichen, sondern auch die Wirksamkeit des Leucettinib-Inhibitors in der Aufhebung der Dyrk1A-induzierten neurologischen Phänotypen ermitteln. Diese Untersuchungen werden eine neue Methode zur Markierung und genetischen Manipulation von Einzelzellen in Zebrafischen etablieren, mit deren Hilfe eine kompartimentierte Organisation der PC-Population in Zebrafischlarven untersucht werden soll. Zudem wird der Einfluss einer Dyrk1A-Überfunktion auf die Morphologie von PCs sowie das therapeutische Potential eines neuen Dyrk1A-Inhibitors charakterisiert werden. Daher wird das vorgeschlagene Forschungsprogramm einen entscheidenden Beitrag zur Aufklärung zellulärer und molekularer Mechanismen neuronaler Reifungsprozesse leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen