Wie werden axonale Durchmesser im zentralen Nervensystem reguliert?
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um fehlerfrei zu funktionieren, benötigt das Zentralnervensystem (ZNS) eine schnelle Ausbreitung von Aktionspotenzialen (AP) entlang von Axonen. Der Axondurchmesser variiert erheblich, von 0,1 bis über 20 Mikrometer, was die Nervenleitgeschwindigkeit beeinflusst: 1) Größere Axone verringern den elektrischen Widerstand und beschleunigen die AP- Ausbreitung. 2) Axone mit einem Durchmesser über 0,5 μm stimulieren die Myelinisierung, was die Leitgeschwindigkeit weiter erhöht. Diese Vielfalt ist entscheidend für die zeitliche Koordination von APs. Der Axondurchmesser passt sich an neuronale Aktivität an, was auf eine unterschätzte Form neuronaler Plastizität hinweist. Zusätzlich sind Axone unterschiedlicher Größe unterschiedlich anfällig für Degeneration, und ihre Verteilung verändert sich bei Krankheiten. Die Prozesse, die axonale Durchmesser steuern, sind wenig verstanden. Ziel dieses Projekts war es, die zellulären und molekularen Grundlagen axonaler Durchmesser zu untersuchen. Traditionell wurden Axone ex vivo mittels Elektronenmikroskopie untersucht. Zebrafische als Modellsystem ermöglichen durch ihre Transparenz und das Vorhandensein unterschiedlich großer Axone im Rückenmark die Untersuchung des Wachstums einzelner Axone in vivo. Nach Tests verschiedener Reporter und Mikroskope konzentrierte ich mich auf das Mauthner-Axon. Erste Experimente zeigen, dass Motorneurone oder sensorischer Input den Durchmesser des Mauthner-Axons nicht beeinflussen. Um molekulare Mechanismen zu bestimmen, führte ich ein chemisches Screening mit der Sigma LOPAC-Library (1280 Wirkstoffe) durch. Fluoreszente Expression im Mauthner-Axon und ein automatisches Konfokalmikroskop ermöglichten die Visualisierung des Axondurchmessers. Zur Analyse entwickelten wir eine automatisierte Daten- und Bildverarbeitungspipeline mit maschinellem Lernen. Der Einsatz eines chemischen Inhibitors des mTor-Zellwachstumsweges, der das Axondurchmesserwachstum hemmt, validierte den Arbeitsablauf. Dieses Screening hat molekulare Kandidaten aufgedeckt, die das Dickenwachstum von Axonen regulieren, insbesondere Wirkstoffe, die die Neurotransmission beeinflussen. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für meine laufenden Untersuchungen, unterstützt durch ein Marie-Curie- Postdoktorandenstipendium.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Poster presentation at the XVI European Meeting on Glial Cells in Health and Disease, July 2023, Berlin, Germany. “A high-resolution in vivo drug-screen in zebrafish to investigate how myelinated axons grow in diameter.”
Maria Eichel-Vogel
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Myelinated peripheral axons are more vulnerable to mechanical trauma in a model of enlarged axonal diameters. Glia, 72(9), 1572-1589.
Gargareta, Vasiliki‐Ilya; Berghoff, Stefan A.; Krauter, Doris; Hümmert, Sophie; Marshall‐Phelps, Katy L. H.; Möbius, Wiebke; Nave, Klaus‐Armin; Fledrich, Robert; Werner, Hauke B. & Eichel‐Vogel, Maria A.
