Spiegelt die strukturelle Diversität von Neuregulin-1 seine funktionelle Diversität wieder? : Expression und Funktion von Neuregulin-1 und seinen Rezeptoren im intakten und verletzten ZNS

Abstract

Die Neureguline und ihre Rezeptoren, die erbB-Tyrosinkinasen, formen ein Signaltransduktionsnetzwerk, dessen Funktion entscheidend an derembryonalen und postnatalen Entwicklung von Wirbeltieren beteiligt ist. Neuregulin-1, dessen Expression im intakten und verletzten ZNS in dervorliegenden Arbeit untersucht wurde, beeinflußt die Proliferation, Differenzierung, Reifung und Migration von Neuronen und Gliazellen. DaßNeuregulin-1 aufgrund alternativen Spleißens eine große Anzahl verschiedener Proteine hervorbringen kann, führt zu der Annahme, daßverschiedene Isoformen dieses Proteins verschiedene biologische Aktivitäten entfalten könnten. Ebenso könnten die unterschiedlichenNeuregulin-Wirkungen auch durch die Aktivierung unterschiedlicher erbB-Dimere in Abhängigkeit von der Rezeptor-Präsentation der Zielzellehervorgerufen werden. Um sich der Aufklärung des Mechanismus der funktionellen Vielfalt von Neuregulin-1- erbB Wechselwirkungen anzunähern, wurden dieExpressionsmuster verschiedener Neuregulin-1 Isoformen und erbB-Rezeptor Tyrosinkinasen im adulten Gehirn analysiert. Ferner wurdenVeränderungen der Neuregulin-1-, bzw. erbB-Expression untersucht, die im Fazialiskern nach einer peripheren Axotomie des Nervus facialis zubeobachten waren. Dadurch sollte Aufschluß über die Funktionen verschiedener Neuregulin-1 Isoformen im adulten Nervensystem und während derRegeneration erhalten werden. Die Detektion von Neuregulin-1-[alpha] im adulten Gehirn führte zusätzlich zu einer Untersuchung der Wirkungdieser bisher als mesenchymal geltenden Spleißvariante auf Zellen des ZNS: Die Untersuchungen zeigten Neurone als Hauptquelle der Neuregulin-1 Expression im Zentralnervensystem, wobei einige Isoformen eine ubiquitäreVerteilung aufwiesen, während andere nur in einzelnen Neuronentypen vorkamen. Außerdem zeigten Neurone mit unterschiedlichenTransmitterspezifitäten die Expression unterschiedlicher Neuregulin-1-Cocktails . In Astrozyten konnte, anders als in Neuronen, nur eine einzige Neuregulin-1 Isoform detektiert werden. Hierbei handelte es sich um Neuregulin-1Typ-I-[alpha] 2, das bisher als rein mesenchymale Isoform diskutiert wurde. In Mikroglia wiederum konnte weder die Expression von Neuregulin-1noch die eines funktionellen Rezeptor-Sets gefunden werden, weshalb Mikroglia aus dem über Neuregulin-erbB-Wechselwirkungenkommunizierenden Zellsystem ausgeschlossen werden kann. In allen anderen untersuchten Zelltypen und Hirnregionen konnte eine ubiquitäreExpression von erbB-2, erbB-3 und erbB-4 gefunden werden. Das läßt darauf schließen, daß weniger die Präsentation verschiedener Rezeptoren,als die verschiedener Liganden-Isoformen zu unterschiedlichen biologischen Aktivitäten führt. Einige der im adulten ZNS exprimierten Neuregulin-1 Isoformen werden im Fazialiskern nach einer peripheren Nervenläsion drastisch in ihrerExpressionsrate reduziert, was eine Beteiligung dieser Proteine unter anderem an der synaptischen Übertragung bzw. an derSynapsen-Stabilisierung nahelegt. Einen der Hauptkandidaten in diesem Zusammenhang stellt Neuregulin-1 Typ-III-[beta] 5 dar. Neureguline desTyps-I dagegen werden in Astrozyten vermehrt exprimiert. Es dürfte sich hierbei in erster Linie um Typ-I-[alpha] 2 handeln, das möglicherweise einModulator astrozytärer Aktivität. Die Isoformen [beta] 2 und [beta] 4 werden in einer späten Regenerationsphase vermehrt exprimiert, was auf eineRolle in der Remyelinisierung der neu-ausgewachsenen Axone hinweist. Die ebenfalls beobachtete Verminderung der erbB-4-Expression imFazialiskern nach peripherer Nervenläsion könnte möglicherweise auf die fehlende neuronale Aktivität zurückzuführen sein. Die vergleichenden Untersuchungen der Wirkungen von Neuregulin-1 [alpha] - und [beta] -Isoformen zeigen, daß beide Spleißvarianten sowohl dieApoptose als auch die Proliferation von Astrozyten stimulieren. Während [alpha] - und [beta] -Isoformen die Apoptoserate der stimulierten Zellenungefähr gleich stark beeinflussen, ist Neuregulin-1-[beta] der weit potentere Proliferationsfaktor für Astrozyten. Beide Neuregulin-1 Spleißvariantenstellen mögliche Regulatoren der astrozytären Differenzierung im ZNS dar. Neuregulin-1 isoforms, products of alternative splicing and probably the activity of different promoters, form a family of transmembrane andextracellular matrix molecules. Neuregulin-1 is expressed by neurons and glial cells of the developing and adult CNS. Presently, our knowledgeabout the functional diversity of Neuregulin-1 isoforms and their receptors is rapidly increasing. To further elucidate their functions in the CNS, adetailed analysis of cell-specific splicing of Neuregulin-1 and the distribution of its receptors is essential. Therefore, we investigated the expressionpatterns of Neuregulin-1 splice variants and their receptors, the erbB tyrosine kinases, in the brain. We found an exclusive expression of Neuregulin-1 type-I-[alpha] 2 in astrocytes and an expression of type-II-[beta] 1, -[beta] 2 and type-III-[beta] 1 insubstantia nigra neurons. Cortical neurons and peripheral motor neurons displayed a wide range of Neuregulin-1 [beta] -isoforms, whereasmicroglia did not express any Nrg-1 product. The widespread expression of erbB receptors and the distinct expression of Neuregulin-1 variantssupport the idea that the structural diversity of Neuregulin-1 is highly related to its functional diversity. To further investigate the possible function of[alpha] -isoforms in the brain, we examined the action of Neuregulin-1 [alpha] - compared to [beta] -isoforms on astrocytes. Both isoforms inducedapoptosis followed by increased proliferation, which was more marked under Neuregulin-1-[beta] treatment. To address the question of a correlation between structural and functional diversities of Neuregulin-1 in the nervous system, we examined theinvolvement of distinct Neuregulin-1 isoforms in dedifferentiation and regeneration processes of the adult rat brain. Using immunohistochemistry, insitu hybridization and semiquantitative RT-PCR, the regulation of Neuregulin-1 expression was observed in the facial motor nucleus aftertransection of the peripheral nerve. This studies revealed an upregulation of Neuregulin-1 type-I, most probably type-I-[alpha] 2, in reactive astrocytesalready one day after axotomy, suggesting this isoform as an early modulator of astrocytic activity, probably acting via para- or autocrine loops. Incontrast, Neuregulin-1 type-III and the splice variants [beta] 1 and [beta] 5 are dramatically downregulated in axotomized motor neurons which lackcontact to their target tissue. Baseline expression levels are reestablished when the first axons reached the facial muscles again. ThereforeNeuregulin-1-[beta] 1 and -[beta] 5 might act as stabilizers of neuromuscular junctions. Also the splice variants [beta] 2 and [beta] 4 display an initialdownregulation of mRNA levels, but this decrease is succeeded by an upregulation during the period of remyelination of regenerated axons. Thus,Neuregulin-1-[beta] 2 and -[beta] 4 might be involved in myelination processes.