Kalzium-aktivitätsabhängige Erzeugung und Erhaltung mesodiencephaler dopaminerger Nervenzellen aus murinen und humanen pluripotenten Stammzellen im Kontext des Morbus Parkinson (DACaION)
Entwicklungsneurobiologie
Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nervenzellen im ventralen Mittelhirn (VM) der Säuger, die den neuromodulatorischen Botenstoff Dopamin (DA) herstellen, werden auch als Mittelhirn-dopaminerge (mDA) Neurone bezeichnet. Sie spielen entscheidende Rollen in der Funktion des menschlichen Gehirns. Traditionell werden die mDA Neurone in Abhängigkeit ihrer anatomischen Position im VM und ihrer Funktionen in zwei größere Teilpopulationen eingeteilt. Die mDA Neurone, die in der Substantia nigra pars compacta (SNc) lokalisiert sind, projizieren primär in das dorsolaterale Striatum und sind an der Kontrolle willkürlicher Bewegungen beteiligt, während die mDA Neurone im ventralen tegmentalen Areal (VTA) den präfrontalen Kortex und limbische Areale des menschlichen Gehirns innervieren, wo sie kognitive und anregende/belohnende Hirnfunktionen modulieren. Dementsprechend führen die Degeneration oder Dysfunktion dieser mDA Neurone zu schweren neurodegenerativen und neuropsychiatrischen Erkrankungen des Menschen, wie der Parkinson-Krankheit (PD), den Schizophrenien und dem Drogenmissbrauch. Mittlerweile ist aber deutlich geworden, dass die mDA Neurone eine deutlich größere zelluläre, molekulare und physiologische Diversität aufweisen als zuvor angenommen. Bislang ist nur sehr wenig darüber bekannt, wie diese mDA Diversität während der vorgeburtlichen und frühen postnatalen Entwicklung des Menschen etabliert wird, und wie sie die unterschiedliche Anfälligkeit dieser Nervenzellen für z.B. das Absterben während des Erwachsenenlebens beeinflusst. Die hauptsächliche Zielsetzung dieses Forschungsprojekts war die Bestimmung der Expression und Funktion von zuvor (im Mausembryo) identifizierten Kalzium (Ca2+)-bezogenen Proteinen und den entsprechenden Ca2+ Aktivitäts-abhängigen Prozessen während der gerichteten Differenzierung von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPS) in mDA Neurone und/oder deren Überleben, und ihrer diagnostischen oder therapeutischen Relevanz im Kontext der Parkinson-Krankheit. Während der dreijährigen Förderperiode haben wir eine neue rot fluoreszierende ReporterhiPS-Zelllinie (NES-mScarlet #18) für humane neurale Stammzellen (NSCs)/neurale Vorläuferzellen (NPCs) und andere NESTIN-exprimierende Zellen generiert, charakterisiert und publiziert. Diese neue hiPS-Zelllinie ist ein verlässlicher Reporter der NESTIN-Expression in NSCs/NPCs während der mDA Nervenzelldifferenzierung in vitro, und kann für die Lebendzellbildgebung und für die Fluoreszenz-basierte Sortierung dieser Zellen verwendet werden. Wir haben auch unsere Arbeit zur Transkriptomanalyse der WNT/b-cateninresponsiven Domäne im VM des Mausembryos publiziert, in der wir gezeigt haben, dass eine Dosis-abhängige und Teilpopulations-spezifische Regulierung des LEF1-vermittelten WNT/bcatenin Signalwegs notwendig und hinreichend für die angemessene Differenzierung der mDA Neurone im Allgemeinen (höhere WNT/b-catenin Dosen inhibieren dabei ihre Differenzierung in postmitotische mDA Vorläufer und Neurone), und der SNc DA (die aus einer Domäne mit einem niedrigen oder gar keinem WNT/b-catenin Signal hervorgehen) sowie der VTA DA (die aus einer Domäne mit einem starken WNT/b-catenin Signal hervorgehen) Neurone im Besonderen. Unsere präliminären Daten weisen darauf hin, dass eine präzise Modulierung des WNT/b-catenin Signalwegs während der humanen mDA NSC/NPC Differenzierung in der Tat die präferenzielle Erzeugung von entweder SNc DA oder VTA DA Neuronen in vitro ermöglicht. Dies ist hochrelevant für die Modellierung der Parkinson-Krankheit und anderer mDA-bezogener Erkrankungen in der Zellkulturschale und ihre therapeutische Anwendung sowie dem Medikamentenscreening. Letztendlich haben wir auch eine statistisch signifikante Herunterregulierung von drei (3) aus 64 Ca2+ Aktivitäts-bezogenen Kandidatengenen in ausgereiften, hiPS-Zell-abgeleiteten mDA Neuronen von idiopathischen (sporadischen) Parkinson-Patienten gegenüber ihren gesunden Kontrollen detektiert. Die entsprechenden Gene werden als pathophysiologisch relevant für die idiopathische Parkinson-Krankheit in zukünftigen Forschungsprojekten weiter verfolgt. Dies könnte besonders interessant sein, weil eine dysregulierte Ca2+-Homöostase wiederholt bei hiPS-Zell-derivierten mDA Neuronen aus genetischen (familiär vererbten) Parkinson-Fällen in frühen Stadien ihrer Differenzierung nachgewiesen worden ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Crosstalk of Intercellular Signaling Pathways in the Generation of Midbrain Dopaminergic Neurons In Vivo and from Stem Cells. Journal of Developmental Biology, 7(1), 3.
Brodski, Claude; Blaess, Sandra; Partanen, Juha & Prakash, Nilima
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Dose-Dependent and Subset-Specific Regulation of Midbrain Dopaminergic Neuron Differentiation by LEF1-Mediated WNT1/b-Catenin Signaling. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 8.
Nouri, Parivash; Götz, Sebastian; Rauser, Benedict; Irmler, Martin; Peng, Changgeng; Trümbach, Dietrich; Kempny, Christian; Lechermeier, Carina G.; Bryniok, Agnes; Dlugos, Andrea; Euchner, Ellen; Beckers, Johannes; Brodski, Claude; Klümper, Claudia; Wurst, Wolfgang & Prakash, Nilima
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Developmental pathways linked to the vulnerability of adult midbrain dopaminergic neurons to neurodegeneration. Frontiers in Molecular Neuroscience, 15.
Prakash, Nilima
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Generation of a NES-mScarlet Red Fluorescent Reporter Human iPSC Line for Live Cell Imaging and Flow Cytometric Analysis and Sorting Using CRISPR-Cas9-Mediated Gene Editing. Cells, 11(2), 268.
Nouri, Parivash; Zimmer, Anja; Brüggemann, Stefanie; Friedrich, Robin; Kühn, Ralf & Prakash, Nilima
