In Drosophila melanogaster the Toll protein plays a key role in host defense and developmental processes. The role of Toll-like receptors (TLRs) – the mammalian orthologs of Toll – in mammalian brain development, function and structure remains elusive so far. Myeloid differentiation primary response protein 88 (MyD88) is an essential adaptor protein for downstream signaling of TLRs. This study systematically analyzes the effects of MyD88-deficiency on murine brain structure, development, and behavior. To this end, Myd88-/- mice at the age of postnatal day 4 (P4, neonatal) and at 8-10 weeks (adult) were compared to wild-type animals (WT). Performing immunohistochemistry on brain sections, cortical cell populations including neurons and glia cells were quantified. Neuronal arborization in the cerebral cortex was analyzed by Golgi staining. To investigate the impact of MyD88 expression on a functional level, behavior tests focusing on cognition and social behavior were performed. In neonatal Myd88-/- mice neocortical thickness was reduced, while the number of cortical neurons was increased compared to WT mice. In contrast, numbers of microglia, oligodendrocytes, astrocytes, and proliferating cells were unchanged. In adult Myd88-/- mice the neocortical thickness was unaltered, but the number of neurons was increased in both neocortex and hippocampus compared to WT mice. Neuronal arborization was less pronounced in adult Myd88-/- mice. Furthermore, numbers of microglia and proliferating cells were increased, and myelinization was enhanced in the adult neocortex. In contrast, the number of both astrocytes and oligodendrocytes was unaltered in both genotypes. These changes in cell numbers and structure were accompanied by specific behavioral traits: Myd88-/- mice showed decreased locomotor activity and increased anxiety-like behavior, while day/light activity was normal. Also, these mice exhibited satisfactory learning, as well as sufficient short- and long-term spatial memory. Taken together, MyD88 deficiency results in structural changes of the mouse brain, as well as in altered specific and natural behavioral traits. These findings indicate a pathophysiological significance of MyD88 expression for mammalian brain structure, development, and function.
In der Taufliege Drosophila melanogaster spielt das Toll-Protein eine wichtige Rolle bei der Immunantwort und bei Entwicklungsprozessen. Die Funktion der Toll-Orthologe Toll-like-Rezeptoren (TLRs) bei der Hirnentwicklung und -struktur ist hingegen kaum verstanden. Myeloid differentiation primary response protein 88 (MyD88) fungiert als zentrales Adapterprotein der TLR-Signalkaskade. Um die Rolle von TLRs und deren Signalkaskade bei der Hirnentwicklung und -struktur zu analysieren, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit systematisch untersucht, ob die Expression von MyD88 die murine Hirnstruktur während der Entwicklung und das Verhalten von Mäusen beeinflusst. Es wurden MyD88-defiziente Mäuse im Vergleich zu Wildtyp-Tieren (WT) sowohl im neonatalen Alter (P4) als auch im adulten Alter von 8-10 Wochen untersucht. Mit Hilfe von Immunhistochemie wurden Hirnschnitte hinsichtlich der unterschiedlichen Zelltypen quantitativ analysiert. Im zerebralen Kortex wurden Neurone, Mikroglia, Astrozyten und Oligodendrozyten quantifiziert. Anhand von Golgifärbungen erfolgte die Analyse der Arborisierung kortikaler Neurone. Um zu untersuchen, ob die Expression von MyD88 einen Einfluss auf das murine Verhalten hat, wurden verschiedene Verhaltenstests mit Fokus auf Kognition und soziales Verhalten durchgeführt. Neonatale MyD88-defiziente Mäuse wiesen im Vergleich zum WT eine Reduktion der neokortikalen Dicke auf, die Anzahl der kortikalen Neurone war hingegen erhöht. Die Zahl von Mikroglia, Astrozyten, Oligodendrozyten und proliferierenden Zellen war in MyD88-defizienten Mäusen im Vergleich zu WT-Tieren unverändert. In adulten MyD88-defizienten Mäusen zeigte sich die neokortikale Dicke ebenfalls nicht signifikant verändert. Die Anzahl kortikaler und hippocampaler Neurone adulter MyD88-defizienter Mäuse war erhöht. Die Arborisierung kortikaler Neurone erwies sich im adulten MyD88-defizienten Tier im Vergleich zum WT als reduziert. Es zeigte sich eine quantitative Zunahme von Mikroglia und proliferierenden Zellen in adulten MyD88-defizienten Tieren. Diese wiesen auch eine verstärkte Myelinisierung auf. Die Anzahl von Astrozyten und Oligodendrozyten im adulten MyD88-defizienten Neokortex zeigte sich unverändert. Diese strukturellen Veränderungen waren mit spezifischen Verhaltensweisen assoziiert. So zeigten Open Field, Barnes Maze, Home Cage Scan und Social Activity Monitoring Tests bei MyD88-defizienten Mäusen eine reduzierte Lokomotion und erhöhte Angstlevel bei normaler Tag/Nacht-Aktivität und suffizienter räumlicher Lern- und Gedächtnisleistung. Zusammenfassend resultiert MyD88-Defizienz in strukturellen Veränderungen des murinen Gehirns sowie in veränderten natürlichen und spezifischen Verhaltensweisen. Damit weist die vorliegende Arbeit auf eine wichtige Rolle der MyD88-Expression für die Gehirnstruktur, Entwicklung und Funktion von Säugetieren hin.
