Molekulare Expressionsmuster bei der Ausbildung kommissuraler Verbindungen des Großhirns und ihre Störungen nach Sip1-Knockout

Abstract

Mutationen im Transkriptionsfaktor Sip1 (Smad-interacting protein 1) können beim Menschen das Mowat-Wilson-Syndrom auslösen. Durch Analyse einer Neocortex-spezifischen konditionalen Sip1 Knockout-Maus wurde gezeigt, dass Sip1 die Corticogenese als Transkriptionsrepressor reguliert. Neben einer Vielzahl von Störungen weist der Sip1 Knockout eine Agenesie des Corpus callosum auf, wobei die Mechanismen, die zu dieser gestörten Entwicklung führen, noch ungeklärt sind. In dieser Arbeit wurden mögliche downstream- Signalkaskaden und -Mechanismen von Sip1 untersucht, die die Agenesie des Corpus callosum sowie die veränderte corticale Architektur im konditionalen Sip1 Knockout herbeiführen könnten. Durch Immunhistochemie und In-Situ- Hybridisierung konnten wir zeigen, dass Sip1 die Bildung GFAP-positiver Mittellinienglia kontrolliert. Diese glialen Zellpopulationen exprimieren Signalmoleküle, die als Chemoattractanten oder -repellenten auf callosale Axone wirken, und spielen damit eine integrale Rolle in der Bildung des Corpus callosum. Die Fusion der Mittellinie bleibt (wahrscheinlich aufgrund der Reduktion der Midline Zipper Glia) im Gehirn des Knockouts aus, was ein weiteres Hindernis für kreuzende Axone darstellt. Mittels In-Situ- Hybridisierung konnten wir eine dramatisch veränderte Expression von Neuropilin1 (Nrp1) im Knockout feststellen. Nrp1 wurde somit als neues mögliches downstream target von Sip1 identifiziert, das ein verändertes Wachstumsverhalten von Pionieraxonen hervorrufen könnte. Frühere Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe legten nahe, dass Sema3c ein relevantes downstream target von Sip1 sein könnte, da die Expression von Sema3c durch zellintrinsische Effekte im Knockout komplett ausbleibe. Wir konnten dies jedoch widerlegen, indem wir zeigten, dass Sema3c durch zellextrinsische Effekte herabreguliert ist. Weiterhin galt Wnt5a als Kandidat für mögliche downstream targets von Sip1, die die Corticogenese kontrollieren. Indem wir Wnt5a in corticalen Zellen durch In-utero-Elektroporation überexprimierten, konnten wir jedoch keine signifikanten Hinweise darauf finden, dass Wnt5a die Corticogenese und die corticale Architektur steuert. Sip1 beeinflusst also die Bildung glialer Strukturen der Mittellinie, die Fusion der Mittellinie sowie die Expression vieler callosal relevanter Signalmoleküle und kontrolliert so die Bildung des Corpus callosum. Durch unsere Analysen konnten wir einige Kandidaten für entscheidende und direkte downstream targets von Sip1 ausschließen (Sema3c, Wnt5a und andere) und einen anderen Kandidaten (Nrp1) identifizieren, der weiter untersucht werden sollte.

The transcription factor Sip1 (Smad-interacting protein 1) is involved in the genesis of Mowat-Wilson syndrome in humans. By analyzing a neocortex-specific conditional knockout mouse, it has been shown that Sip1 regulates the cell fate switch of cortical progenitors as a transcriptional repressor. Among many deficits the knockout shows an agenesis of the corpus callosum, but the mechanisms of this development have been unidentified. In this work possible downstream targets and mechanisms of Sip1, causing an agenesis of the corpus callosum and an altered cortical architecture in the conditional knockout, have been investigated. Using immunohistochemistry and in situ hybridisation we show that Sip1 controls the formation of GFAP+ glial midline structures. These cell populations express guiding molecules, that attract or repel callosal axons, thereby playing an integral role in the formation of the corpus callosum. The midline fails to fuse in the mutant, probably due to the lack of Midline Zipper Glia, constituting another hindrance for crossing axons. Using in situ hybridisation we found a dramatically altered expression of Neuropilin1 (Nrp1) in the knockout. Nrp1 was therefore identified to be a possible downstream target of Sip1 causing altered growth of pioneering callosal axons. Prior investigations by our group suggested, that Sema3c might be a relevant downstream target of Sip1 and that its expression was completely lost in the mutant due to cell-intrinsic effects. We show however that Sema3c is downregulated in the knockout due to cell-extrinisic effects. Wnt5a has been suggested to be a downstream target of Sip1 causing an altered cortical architecture. By overexpressing Wnt5a in cortical cells using in utero electroporation we did not find any significant evidence, that Wnt5a controls cortical cell fate switch and architecture. Sip1 influences the formation of glial midline structures, the midline fusion and the expression of midline guidance cues thereby controlling corpus callosum formation through various mechanisms. By our analysis we could exclude several possible candidates for direct and defining downstream targets (Sema3c, Wnt5a and others) and found another candidate (Nrp1) to be further investigated.