Kortlægning af MAP7’s rolle i axon-kollaterale forgreninger

Neuroner har forskellige og særprægede dendritiske og axonale morfologier. En korrekt udvikling af disse strukturer er afgørende for normal funktion og konnektivitet. Faktisk er unormal neuronal morfologi blevet forbundet med forskellige neurobiologiske og psykiatriske lidelser (Luo og O’Leary, 2005). Udviklingen af forskellige axonale morfologier afhænger af de voksende axoners evne til at reagere på ekstracellulære signaler. Disse signaler inducerer lokaliseret cytoskeletal remodellering til axonal drejning og forgrening (Armijo-Weingart og Gallo, 2017).

Den udvikling af axoner i DRG-sensoriske neuroner er meget stereotyp og giver derfor en god model til forståelse af mekanismen for axonforgrening. Disse sensoriske axoner bifurkerer ved indgangen til rygmarven, og datteraxoner strækker sig enten fortil eller bagtil. Det forreste voksende axon vil stige opad for at overføre sensorisk information, der er bestemt til hjernen. Derudover vil opstigende og nedadgående axonforgreninger generere interstitielle axonkollateraler, der dannes ud fra en etableret axonaksel for at innervere forskellige lamina langs den dorsal-ventrale akse i rygmarven (Gibson og Ma, 2011).

Reneste arbejde af Tymanskyj et al. (2017) søgte at identificere proteiner, der medierer axonal forgrening i DRG-sensoriske neuroner. For at gøre dette sammenlignede de transkriptionelle profiler af DRG-neuroner før og efter at kollaterale grene blev dannet. Fordi mikrotubulusassocieret protein 7 (MAP7) blev stærkt opreguleret efter kollaterale dannelse, undersøgte forfatterne derefter virkningerne af MAP7-overekspression og knockdown på primære sensoriske neuronkulturer høstet på tidlige og sene embryonale stadier. Overekspression af MAP7 øgede antallet af interstitielle grene i yngre neuroner, som typisk ikke udtrykker MAP7. Omvendt resulterede knockdown af MAP7 i ældre neuroner, der blev dyrket efter grendannelse in vivo, i færre interstitielle grene in vitro. Disse eksperimenter viste, at MAP7 er både tilstrækkelig og nødvendig for interstitiel forgrening i sensoriske neuroner.

Tymanskyj et al. (2017) ræsonnerede, at en regulator af grendannelse sandsynligvis ville lokalisere sig til regioner af et axon, hvor grene opstår. Faktisk fandt forfatterne en stærk præference for MAP7 ved grenpunkter. Fordi spirende grene dannes fra filopodier, der stabiliseres af mikrotubulipenetration, ville timingen af MAP7-lokalisering til grenpunkter antyde dens rolle, der styrer timingen og mønsteret af grendannelse. Forfatterne udførte derfor levende billeddannelse og fastslog, at fluorescerende mærket MAP7 var fraværende i pionerfilopodier, men havde forsinket indtræden i nye mikrotubulusberigede grene. Yderligere arbejde viste, at MAP7 fortrinsvis lokaliserede sig til lange og stabile grene. Tilsammen tyder disse undersøgelser på, at MAP7 er kritisk for modning af grene, men sandsynligvis ikke for den første dannelse af grene.

Selv om disse in vitro-manipulationer etablerede en rolle for MAP7 i kollaterale forgreninger, søgte forfatterne at underbygge dette ved at bruge en musemutant, hvor MAP7-proteinet er afkortet ved C-terminus (MAP7mshi) (Turner et al., 1997). Det er tidligere blevet vist, at MAP7’s C-terminus interagerer med kinesin (Sung et al., 2008; Barlan et al., 2013). Således ræsonnerede Tymanskyj et al. (2017), at dette var mekanismen for axonforgrening, og MAP7mshi-neuroner ville have færre kollateraler. Overraskende nok havde sensoriske neuroner dyrket fra MAP7mshi-mus en drastisk stigning i axonforgrening sammenlignet med neuroner fra kontroldyr. Dette, kombineret med tidligere in vitro-resultater, antyder kraftigt, at MAP7’s N-terminus og ikke C-terminus er afgørende for at fremme axonets kollaterale forgrening. Hvis C-terminus var overflødig for at fremme forgrening, ville det være interessant at antage, at MAP7mshi-neuroner ville ligne kontrolneuroner; men i stedet resulterer tabet af MAP7 C-terminus i en potentiering af kollateral forgrening. En forklaring er, at et C-terminalt domæne blokerer N-terminal funktion, og tab af C-terminalen fører til overdreven forgrening. Det er også muligt, at C-terminal trunkering producerer unormalt høje niveauer af MAP7-protein i mutantmusene, hvilket fremmer axonforgrening i lighed med overekspression af MAP7 in vitro. Selv om Tymanskyj et al. (2017) brugte in situ-analyse og RT-PCR til at bekræfte tilstedeværelsen af det trunkerede mRNA i MAP7mshi-dyr, er de sammenlignelige ekspressionsniveauer af MAP7 uklare. Således vil den præcise regulerende rolle af C terminus kræve yderligere undersøgelse.

En vigtig opdagelse fra MAP7mshi-dyrene kom fra analyse af DRG-sensoriske neuronprojektioner. Sensoriske neuroner skal korrekt innervere både perifert målvæv, såsom hud og muskler, og rygmarven ved at danne et antal axonkollateraler i begge regioner for at opnå nøjagtig følsomhed over for eksterne stimuli. Interessant nok udviste MAP7mshi-mus et øget antal axonkollateraler, der forgrenede sig til rygmarven, sammenlignet med kontroldyr, mens antallet af kollateraler i forpoterne var normalt. Den afvigende innervation af DRG-axoner i rygmarven hos MAP7mshi-mus var forbundet med termisk hyperalgesi, hvilket tyder på, at DRG-nociceptorer er afhængige af MAP7 for korrekt dannelse af axoner. Hvorvidt andre undertyper af DRG-neuroner kræver MAP7, kræver yderligere undersøgelser. Selv om Tymanskyj et al. (2017) dyrkede en heterogen population af sensoriske neuroner fra dissocierede DRG’er, supplerede de disse kulturer med nervevækstfaktor (NGF), som kun giver trofisk faktor til en undergruppe af neuronale undertyper (dvs. nociceptorer) (Lallemend og Ernfors, 2012). Andre DRG-neuronale undertyper (f.eks. proprioceptorer) får ikke trofisk støtte fra NGF og blev derfor udelukket fra disse kulturer (Lallemend og Ernfors, 2012). Hvorvidt både nociceptorer og proprioceptorer er afhængige af MAP7 er særlig interessant, fordi de projicerer til forskellige mål. Bemærkelsesværdigt fandt Tymanskyj et al. (2017) imidlertid, at (1) kun en delmængde af grene opstod fra et MAP7-beriget område, (2) kun en delmængde af MAP7-berigede områder langs axonet producerede grene, og (3) MAP7mshi-mus havde forgreningsanormaliteter i centrale, men ikke perifere projektioner. Det er således sandsynligt, at andre faktorer styrer grendannelsen i disse axoner.

Et omfattende arbejde har vist, at miljømæssige signaler former axongrendannelse ved at udløse en stærkt reguleret sekvens af cytoskeletale begivenheder, herunder actin patch-dannelse, filopodial fremkomst og mikrotubulipolymerisering og depolymerisering (Armijo-Weingart og Gallo, 2017). Mikrotubuli-associerede proteiner (MAP’er) kan formidle cytoskeletale ændringer ved positivt eller negativt at påvirke mikrotubuli stabilitet og bundling (Armijo-Weingart og Gallo, 2017). I lighed med den nye rolle for MAP7 i sensorisk grenmodning identificerede tidligere arbejde en rolle for MAP7 i Sertoli-cellens mikrotubuli stabilitet og spermatogenese, hvor fraværet af MAP7 i mus fører til mandlig sterilitet (Komada et al., 2000; Magnan et al., 2009). Omvendt har Tymanskyj og andre (Tymanskyj et al., 2012; Barnat et al., 2016) identificeret MAP1B som en negativ regulator af axonforgrening og -modning i kortikale og voksne DRG-neuroner. Disse værker kaster lys over den mangfoldige proteinværktøjskasse, der er tilgængelig for de intrinsiske grenmodningsprogrammer. Et spændende spørgsmål er, hvad der styrer konkurrencen mellem positive og negative regulatorer for at formidle opbygning eller ødelæggelse af grene.

Lokalt segregerede grene fra en enkelt neuron kan reagere på permissive og/eller restriktive signaler. Som nævnt ovenfor finder Tymanskyj et al. (2017), at MAP7mshi-mus har afvigende kollaterale forgreninger i rygmarven, men ikke i forbenet, hvilket tyder på, at disse divergerende grene reagerer på forskellige miljømæssige cues. Denne tilsyneladende begrænsning af MAP7-funktionen til central, men ikke perifer, kollateral forgrening afspejler den unilaterale funktion af SAD-kinaser i central, men ikke perifer, innervation i proprioceptive neuroner, en anden sensorisk neuronundertype (Lilley et al., 2013). Lilley et al. (2013) foreslår en model, hvor SAD-kinaser former axonale arborer gennem sekventielle lang- og kortvarige neurotrofineksponeringer. Proprioceptive neuroner modtager tonisk langtidseksponering for neurotrophin-3 fra perifere mål, såsom musklen, hvilket resulterer i opregulering af SAD-kinaseekspression. Denne opregulering forbereder axoner til intrinsisk grenprogrammering, men denne forberedte vej udløses kun efter kortvarig neurotrofin-3-eksponering fra målneuroner i rygmarven, såsom motorneuroner, for at fremkalde rigelig forgrening i den ventrale rygmarv (Lilley et al., 2013). I modsætning hertil kan axonmønsteret i andre neuronale undertyper styres af forskellige ekstracellulære cues. For eksempel reagerer det sympatiske nervesystem, en anden neurotrofinafhængig population, på to forskellige neurotrofiske signaler på sekventielle trin under axonal projektion. Sympatiske axoner vokser i første omgang langs blodkar, et mellemliggende mål, som udskiller et neurotrofin, der fremmer axonudvidelse (Kuruvilla et al., 2004). Ved den endelige innervation udsættes axonterminalerne imidlertid for NGF, som produceres af målvævet. NGF fra målet inducerer et signalskifte for at standse axonvækst og tilskynde til forgrening for at muliggøre omfattende innervation af målet (Suo et al., 2015). Måske er MAP7-afhængig forgreningsmodning også afhængig af enten (1) et enkelt axonmønstermønstercue med tidsmæssigt og lokalt forskellige mønstre eller (2) forskellige sekventielle cues fra mellemliggende og endelige mål.

Neurologiske lidelser kan være forbundet med ændret axonadfærd og hjernekonnektivitet, hvilket bidrager til deres komplekse og multifaktorielle natur. Intrigant nok udtrykkes MAP7 i embryonale musehjerner, og fine genetiske kortlægningsundersøgelser viser en signifikant association i MAP7 enkelt nukleotidpolymorfismer med skizofreni (Fabre-Jonca et al., 1998; Torri et al., 2010; Venkatasubramanian, 2015). Efter opdagelserne i Tymanskyj et al. (2017) i det perifere nervesystem vil det være afgørende at undersøge MAP7-regulering af axonforgreningsmodning i hjernen for at belyse enhver forbindelse mellem MAP7 og skizofreni. Derudover, ud over udviklingen af det perifere nervesystem, er axon-kollaterale forgreninger nødvendige i hele nervesystemet og er afgørende for korrekt ledningsføring. Tidligere undersøgelser viser, at aktivering af iboende cellulære programmer, der fremmer mikrotubulipolymerisation, kan regulere axongenvækst og -forgrening efter skade positivt (Ruschel et al., 2015). For at skelne potentielle terapeutiske mål for genvækst af axoner kan fremtidige undersøgelser derfor fokusere på MAP7 for at genaktivere intrinsisk udviklingsprogrammering.

↵

Gibson DA,

Ma L

(2011) Developmental regulation of axon branching in the vertebrate nervous system. Udvikling 138:183-195. doi:10.1242/dev.046441 pmid:21177340