Rolle der Polysialinsäure bei der Migration cortikaler Interneurone und Untersuchungen zur gestörten Hirnentwicklung Polysialinsäure-defizienter Mäuse mittels konditionaler Deletion der St8sia2

• Antragsteller: Professor Dr. Herbert Hildebrandt
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269703561

Das neurale Zelladhäsionsmolekül NCAM und dessen Modifikation mit dem Zuckerpolymer Polysialinsäure (PolySia) sind wesentliche Faktoren der Hirnentwicklung. PolySia wird von den Polysialyltransferasen ST8SIA2 und ST8SIA4 synthetisiert, die unabhängig reguliert werden aber oft gemeinsam in denselben Zellen vorkommen. Bei Mäusen scheint ST8SIA2 vor allem in der Entwicklung wichtig, während ST8SIA4 im adulten Hirn dominiert. Deletion beider Enzyme führt zu vollständig PolySia-negativen Mäusen. Diese reproduzieren Defekte der PolySia- und NCAM-negativen Ncam-/- Mäuse, zeigen jedoch auch Störungen großer Axontrakte des Gehirns, welche durch zusätzliche Deletion des PolySia-Trägerproteins NCAM unterbunden werden. Angesichts des massiven Phänotyps der St8sia2, St8sia4 Doppel-Knock-out Mäuse wurde damit begonnen, die beiden Einzel-Knock-out Linien neu zu analysieren. Spezifisch in St8sia2-/- Mäusen wurden Störungen der thalamocortikalen Konnektivität festgestellt, die zur Beeinträchtigung kognitiver Leistungen führen könnten. In beiden Linien wurden verringerte Dichten der Interneurone des präfrontalen Cortex gefunden, die mit gestörter Migration der Interneuronvorläufer aus dem medialen Ganglienhügel (MGE) einhergingen. Mit dem Ziel, die zellulären und molekularen Grundlagen der PolySia-abhängigen Interneuronentwicklung weiter zu analysieren, wurden St8sia2-/- und St8sia4-/- Mauslinien etabliert, in denen Interneurone über ein GAD67-GFP Transgen genetisch markiert werden. Diese Modelle werden zur Analyse in vivo sowie für Untersuchungen in organotypischen Kulturen aus MGE- und Cortex-Explantaten eingesetzt. Durch hochauflösende Zeitrafferaufnahmen GFP-markierter Zellen in diesen Kulturen wird der Einfluss der PolySia-Expression auf die Dynamik der Interneuronmigration und auf die Wirkung motogener Faktoren analysiert. Um St8sia2 gezielt in Interneuronen der MGE bzw. im sich entwickelnden Thalamus, nicht aber im Cortex auszuschalten wurden 'gefloxte' St8sia2Fx/Fx Mäuse mit Lhx6- bzw. Foxb1-Cre Linien gekreuzt. Die erhaltenen Modelle ermöglichen es, zwischen den Auswirkungen reduzierter Polysialylierung in den migrierenden Interneuronen bzw. zwischen dem Einfluss der PolySia auf auswachsenden thalamocortikalen Axonen und ihrer ebenfalls PolySia-positiven Umgebung zu unterscheiden. Der Vergleich PolySia-defizienter thalamocortikaler Axone zu den zeitgleich auswachsenden 'wild-typischen' cortikothalamischen Projektionen bietet die Perspektive offene Fragen zur Wechselwirkung zwischen den beiden Systemen zu klären. Durch Verhaltensstudien an Mäusen mit thalamocortikalen Projektionsfehlern, mit Interneurondefiziten oder mit gleichzeitiger Ausprägung beider Defekte soll versucht werden, eine definierte Störung der Hirnentwicklung einem bestimmten kognitiven Defizit zuzuordnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen