The role of phosphorylated GSK3 isoforms in axonal regeneration of the central nerv-ous system
Ophthalmology
Molecular Biology and Physiology of Neurons and Glial Cells
Final Report Abstract
Die Rolle von aktivem GSK3 bei der Vermittlung regenerativer Prozesse in geschädigten Axonen ist unklar, oft widersprüchlich und umstritten. Einerseits beschleunigt die Aufrechterhaltung der GSK3-Aktivität in sogenannten GSK3S/A-Knock-in-Mäusen die axonale Regeneration peripherer Nerven. Diese Effekte erfolgt über eine verstärkte Phosphorylierung von MAP1B und eine dadurch bedingte Hemmung der Detyrosinierung von Mikrotubuli in axonalen Wachstumskegeln. Im Rahmen des Projektes zeigte sich allerdings unerwarteterweise, dass nach Schädigung des Sehnervs, der zum zentralen Nervensystem (ZNS) gehört, einer Linsenverletzungsvermittelte axonale Regeneration reduziert wird, obwohl auch dort die Phosphorylierung von MAP1B erhöht ist. Zusätzlich zeigen RGZ in diesen Tieren eine deutlich verstärkte inhibitorische Phosphorylierung von CRMP2 in Axonen, während eine solche Zunahme in peripheren Nerven, wie dem Ischiasnerv, nicht zu beobachten. Somit weißen zentralen und peripheren Axone einen grundlegenden Unterschied auf. Umgekehrt führt ein genetischer Knockout oder shRNA-vermittelter Knockdown von GSK3β zu einer Abnahme der inhibitorischen Phosphorylierung von CRMP2 in RGZ und einer Verbesserung der axonalen Regeneration im verletzten Sehnerv, da der GSK3β Knockout eine Inaktivierung von CRMP2 verhindert und somit gegenüber Myelin disinhibitorisch wirkt. Ähnliche Effekte können auch durch die die Expression von konstitutiv aktivem CRMP2 (CRMP2T/A) in RGZ erzielt werden und unterstreichen die Notwendigkeit von aktivem CRMP2 bei der Regeneration des Sehnervs. Interessanterweise, kehrt die Expression von CRMP2T/A die inhibitorischen Effekte in GSK3S/A-RGZ um und verstärkt die Regeneration des Sehnervs deutlich über die in GSK3β Knockout Tieren, sodass einige Axone innerhalb von 3 Wochen das Chiasma opticum erreichen können. Diese Ergebnisse zeigen also, dass aktives GSK3 auch im ZNS das axonale Wachstum fördern kann, wenn dadurch eine Abnahme von aktivem CRMP2 verhindert wird. Ähnlich wie periphere Nerven, tragen zu diesem Effekt die GSK3-vermittelte MAP1B-Phosphorylierung/Aktivierung und die Reduktion der Mikrotubuli-Detyrosinierung bei. Die im Rahmen dieses Projektes gewonnen Befunde erklären somit die auf den ersten Blick widersprüchlich scheinenden Effekte von GSK3 bei der axonalen Regeneration. Darüber hinaus bieten diese neuen Einsichten neue therapeutische Ansatzmöglichkeiten zur Förderung der axonalen Regeneration im ZNS.
Publications
- (2016) Promotion of functional nerve regeneration by inhibition of microtubule detyrosination. Journal of Neuroscience; 36(14):3890-902
Gobrecht P, Andreadaki A, Diekmann H, Heskamp A, Leibinger M and Fischer D
(See online at https://doi.org/10.1523/jneurosci.4486-15.2016) - (2017) Boosting CNS axon regeneration by harnessing antagonistic effects of GSK3 activity. PNAS; 201621225
Leibinger M, Andreadaki A, Golla R, Levin E, Hilla AM, Diekmann H and Fischer D
(See online at https://doi.org/10.1073/pnas.1621225114) - (2019) GSK3/CRMP2 signaling confers PTEN knockout mediated axonal regeneration. Communications Biology 2:318
Leibinger M, Hilla A, Andreadaki A and Fischer D
(See online at https://doi.org/10.1038/s42003-019-0524-1)
