Molekulare Mechanismen der Gliogenese im Neokortex

Die Hirnrinde, Sitz des Bewusstseins, der Fähigkeit zu Denken und zu Sprechen, besteht aus einer Vielzahl an Zellen. Zwei Zellarten, Neuronen und Gliazellen, sind hier von besonderer Bedeutung. Diese Zellen werden aus einer besonderen Form von Stammzellen, den sogenannten Radialglia-Vorläufer (RGP) Zellen gebildet. Fehler bei der Produktion von Neuronen und Gliazellen können zu verschiedenen Krankheitsbildern führen. Ein Beispiel ist die Mikrozephalie, in dem der Kopf und die Hirnrinde eines Neugeborenen deutlich kleiner als normal sind. Trotzdem wissen wir sehr wenig über die genauen Vorgänge, die zur Bildung von Neuronen und Gliazellen führen. Neuronen bilden komplizierte Netzwerke wobei Astrozyten, eine Untergruppe der Gliazellen, eine entscheidende Rolle spielen. Es ist daher nicht verwunderlich, dass in nahezu allen Krankheitsbildern, die das Gehirn betreffen, die Funktion von Astrozyten beeinträchtigt ist. Das Ziel dieser Studie ist es, die zellulären und molekularen Mechanismen, die für die Entstehung von Astrozyten notwendig sind, zu bestimmen. Um die Entwicklung von Astrozyten aus einzelnen RPG Zellen zu visualisieren und gleichzeitig bestimmte Gene in diesen Zellen zu manipulieren, werde ich die einzigartige MADM (Mosaikanalyse mit Doppelmarkern) - Technologie einsetzen. Die bisherige Forschung legt nahe, dass die Entwicklung von Gliazellen durch die Dosis eines Rezeptorproteins, EGFR, in der Zelle gesteuert wird.Ich habe in einer vorhergehenden Studie gezeigt, dass sowohl Lgl1 als auch Egfr Schlüsselgene in der Produktion von Astrozyten sind. Meine Hypothese ist, dass LGL1 den Transport von EGFR in der Zelle kontrolliert und dadurch das Wachstum der Astrozyten reguliert wird. Um diese Hypothese zu testen, werde ich ein MADM-basiertes Zellkultursystem entwickeln, in dem ich den Transport von Proteinen in der Zelle verfolgen kann. Zusätzlich werde ich auch die Rolle von Lysosomen und Endosomen in der Produktion von Astrozyten testen. Ich bin überzeugt, dass die Ergebnisse dieser Studie einen nachhaltig positiven Einfluss auf die Neurowissenschaft im Allgemeinen und auf die Erforschung der Entwicklung der Hirnrinde und der Gliazellen im Speziellen haben wird. Diese Studie hat das Potential wichtige Einblicke in die molekularen Mechanismen der Gliastammzellen und der Regulation von neuralen Stammzellen zu liefern. Diese Erkenntnisse könnten nicht nur zu einem besseren Verständnis der Funktion unseres Gehirns beitragen, sondern könnten auch helfen die zentrale Rolle der Gliazellen in der Hirnentwicklung zu verstehen. Auf lange Sicht könnten diese Ergebnisse auch in der regenerativen Medizin und der Entwicklung von Stammzellen-basierten Therapien von unschätzbarem Wert sein.

Neuronen und Glia sind die Zellen, aus denen unser Gehirn besteht. Im Cortex, dem Gehirnbereich, der es uns ermöglicht, zu denken, zu sprechen und bei Bewusstsein zu sein. Neuronen und die meisten Glia werden von neuronalen Stammzellen produziert, die als radiale Glia-Vorläufer (RGPs) bezeichnet werden. Jeder Fehler in diesem Prozeß kann zu neurologischen Entwicklungsstörungen wie Mikrozephalie führen, bei denen Kopf und Kortex eines Babys erheblich kleiner sind als bei anderen Babys. Aber wie wird diese Produktion von Neuronen und Gliazellen gesteuert? Neuronen und Glia bilden ein komplexes Netzwerk, das für die korrekte Funktion des Kortex notwendig ist. Astrozyten sind spezielle Gliazellen und spielen bei der Entwicklung und Funktion neuronaler Schaltkreise des Cortex eine entscheidende Rolle. Funktionsstörungen der Astrozyten sind bei fast allen neurologischen Störungen zu finden. Das Ziel dieser Studie war es, die zellulären und molekularen Mechanismen der Astrozytenbildung zu bestimmen. Mit einer genetischen Technik namens Mosaic Analysis with Double Markers (MADM) konnten wir ein Gen in einzelnen Astrozytenstammzellen ausschalten und diese gleichzeitig sichtbar machen um zu verfolgen, was mit diesen Zellen passiert. Ich habe in meiner bisherigen Arbeit gezeigt, dass Lgl1 und Egfr zwei Gene sind, die an der Regulierung der Vermehrung der Astrozyten beteiligt sind. In dieser Studie habe ich nun auf der Ebene eizelner Zellen untersucht wie Lgl1 die Produktion von Astrozyten kontrolliert. Hier habe ich neueste Technologien (10x Genomics) verwendet um RNA von tausenden einzelnen MADM-markierten Zellen zu sequenzieren. Diese Daten haben neue Einblicke in die molekulare Wege ergeben, die für die Produktion von Astrozyten essentiell sind. Eine bemerkenswerte Studie, die durch dieses Projekt unterstützt wurde, untersuchte die Funktion des Gens Cdkn1c in Zellen im Cortex. Als Cdkn1c aus den Vorläuferzellen in dieser Region entfernt wurde, war der gesamte Kortex kleiner und es gab einen massiven Tod von Neuronen und Astrozyten durch Apoptose. Mit MADM konnten wir Cdkn1c aus einzelnen Zellen entfernen und dann deren Schicksal beobachten. Wir fanden heraus, dass zwei Kopien der intakten Cdkn1c DNA, dem Bauplan der Zellen, ausreichten, um eine Zelle vor dem Tod zu schützen. Cdkn1c spielt auch eine Rolle bei der Entwicklung menschlicher Tumore, und diese neuen Erkenntnisse haben wichtige Auswirkungen auf dieses Gebiet. Die Ergebnisse aus diesem Projekt können möglicherweise auf andere Hirnregionen und Glia-Typen übertragen werden. Letztendlich können solche Fortschritte zu einem tieferen Verständnis der Gehirnfunktion führen und erklären warum die Entwicklung des menschlichen Gehirns so empfindlich auf Störungen der Glia-Produktion und -Regulierung reagiert. Vielleicht noch wichtiger ist, dass diese Ergebnisse für viele Bereiche der regenerativen Medizin relevant sein können, die auf zellulärer Reprogrammierung und stammzellbasierten Therapien beruhen.