Kartierung der Rolle von MAP7 bei der kollateralen Verzweigung von Axonen

Neuronen haben unterschiedliche und ausgeprägte dendritische und axonale Morphologien. Die korrekte Entwicklung dieser Strukturen ist für eine normale Funktion und Konnektivität von entscheidender Bedeutung. Eine abnorme neuronale Morphologie wurde mit verschiedenen neurobiologischen und psychiatrischen Störungen in Verbindung gebracht (Luo und O’Leary, 2005). Die Entwicklung verschiedener axonaler Morphologien hängt von der Fähigkeit wachsender Axone ab, auf extrazelluläre Reize zu reagieren. Diese Hinweise induzieren einen lokalisierten Umbau des Zytoskeletts für die axonale Drehung und Verzweigung (Armijo-Weingart und Gallo, 2017).

Die Entwicklung von Axonen in sensorischen Neuronen des DRG ist stark stereotypisiert und bietet daher ein gutes Modell für das Verständnis des Mechanismus der Axonverzweigung. Diese sensorischen Axone verzweigen sich beim Eintritt in das Rückenmark, und die Tochteraxone wachsen entweder nach vorne oder nach hinten. Das anterior wachsende Axon steigt auf, um die für das Gehirn bestimmten sensorischen Informationen weiterzuleiten. Darüber hinaus erzeugen aufsteigende und absteigende Axonverzweigungen interstitielle Axonkollateralen, die sich von einem etablierten Axonschaft ausbilden, um verschiedene Lamina entlang der dorsal-ventralen Achse innerhalb des Rückenmarks zu innervieren (Gibson und Ma, 2011).

In einer neueren Arbeit von Tymanskyj et al. (2017) wurde versucht, Proteine zu identifizieren, die die axonale Verzweigung in sensorischen DRG-Neuronen vermitteln. Zu diesem Zweck verglichen sie die Transkriptionsprofile von DRG-Neuronen vor und nach der Bildung von Kollateralverzweigungen. Da das Mikrotubuli-assoziierte Protein 7 (MAP7) nach der Bildung von Kollateralen stark hochreguliert wurde, untersuchten die Autoren als Nächstes die Auswirkungen der Überexpression und des Knockdowns von MAP7 auf primäre sensorische Neuronenkulturen, die in frühen und späten Embryonalstadien geerntet wurden. Die Überexpression von MAP7 erhöhte die Anzahl der interstitiellen Verzweigungen in jüngeren Neuronen, die MAP7 normalerweise nicht exprimieren. Umgekehrt führte das Ausschalten von MAP7 in älteren Neuronen, die nach der Verzweigungsbildung in vivo kultiviert wurden, zu weniger interstitiellen Verzweigungen in vitro. Diese Experimente zeigten, dass MAP7 sowohl ausreichend als auch notwendig für die interstitielle Verzweigung in sensorischen Neuronen ist.

Tymanskyj et al. (2017) schlussfolgerten, dass ein Regulator der Verzweigungsbildung sich wahrscheinlich in Regionen eines Axons lokalisieren würde, in denen Verzweigungen entstehen. In der Tat fanden die Autoren eine starke Präferenz für MAP7 an Verzweigungspunkten. Da sich entstehende Verzweigungen aus Filopodien bilden, die durch das Eindringen von Mikrotubuli stabilisiert werden, würde der Zeitpunkt der MAP7-Lokalisierung an Verzweigungspunkten auf seine Rolle bei der Steuerung des Zeitpunkts und des Musters der Verzweigungsbildung hinweisen. Die Autoren führten daher eine Live-Bildgebung durch und stellten fest, dass fluoreszierend markiertes MAP7 in Pionierfilopodien fehlte, aber einen verzögerten Eintritt in neue, mit Mikrotubuli angereicherte Verzweigungen hatte. Weitere Untersuchungen ergaben, dass MAP7 bevorzugt in langen und stabilen Verzweigungen lokalisiert ist. Zusammengenommen deuten diese Studien darauf hin, dass MAP7 für die Reifung von Verzweigungen entscheidend ist, aber wahrscheinlich nicht für die anfängliche Bildung von Verzweigungen.

Obwohl diese In-vitro-Manipulationen eine Rolle für MAP7 bei der kollateralen Verzweigung belegten, versuchten die Autoren, dies durch die Verwendung einer Mausmutante zu untermauern, bei der das MAP7-Protein am C-Terminus abgeschnitten ist (MAP7mshi) (Turner et al., 1997). Der C-Terminus von MAP7 hatte zuvor gezeigt, dass er mit Kinesin interagiert (Sung et al., 2008; Barlan et al., 2013). Daher schlussfolgerten Tymanskyj et al. (2017), dass dies der Mechanismus für die Axonverzweigung ist und MAP7mshi-Neuronen weniger Kollateralen haben würden. Überraschenderweise wiesen sensorische Neuronen, die von MAP7mshi-Mäusen kultiviert wurden, eine drastische Zunahme der Axonverzweigung im Vergleich zu Neuronen von Kontrolltieren auf. In Verbindung mit früheren In-vitro-Ergebnissen deutet dies stark darauf hin, dass der N-Terminus und nicht der C-Terminus von MAP7 für die Förderung der kollateralen Axonverzweigung entscheidend ist. Wenn der C-Terminus für die Förderung der Verzweigung entbehrlich wäre, dann wäre es sinnvoll anzunehmen, dass MAP7mshi-Neuronen den Kontrollneuronen ähnlich wären; stattdessen führt der Verlust des C-Terminus von MAP7 jedoch zu einer Verstärkung der kollateralen Verzweigung. Eine Erklärung ist, dass eine C-terminale Domäne die N-terminale Funktion blockiert und der Verlust des C-Terminus zu einer übermäßigen Verzweigung führt. Es ist auch möglich, dass die C-terminale Trunkierung abnorm hohe MAP7-Proteinspiegel in den mutierten Mäusen erzeugt, die die Axonverzweigung ähnlich wie die MAP7-Überexpression in vitro fördern. Obwohl Tymanskyj et al. (2017) in situ-Analysen und RT-PCR verwendeten, um das Vorhandensein der verkürzten mRNA in MAP7mshi-Tieren zu bestätigen, sind die vergleichbaren Expressionsniveaus von MAP7 unklar. Daher muss die genaue regulatorische Rolle des C-Terminus weiter untersucht werden.

Eine wichtige Entdeckung der MAP7mshi-Tiere ergab sich aus der Analyse der Projektionen der sensorischen Neuronen des DRG. Sensorische Neuronen müssen sowohl das periphere Zielgewebe, wie Haut und Muskeln, als auch das Rückenmark ordnungsgemäß innervieren, indem sie eine Reihe von Axonkollateralen in beiden Regionen bilden, um eine genaue Empfindlichkeit gegenüber äußeren Reizen zu gewährleisten. Interessanterweise wiesen MAP7mshi-Mäuse im Vergleich zu Kontrolltieren eine erhöhte Anzahl von Axonkollateralen auf, die in das Rückenmark abzweigen, während die Anzahl der Kollateralen in der Vorderpfote normal war. Die abweichende Innervation von DRG-Axonen in das Rückenmark bei MAP7mshi-Mäusen war mit thermischer Hyperalgesie verbunden, was darauf hindeutet, dass DRG-Nozizeptoren für die richtige Axonbildung auf MAP7 angewiesen sind. Ob andere Subtypen von DRG-Neuronen MAP7 benötigen, muss weiter untersucht werden. Obwohl Tymanskyj et al. (2017) eine heterogene Population sensorischer Neuronen aus dissoziierten DRGs kultivierten, ergänzten sie diese Kulturen mit Nervenwachstumsfaktor (NGF), der nur für eine Untergruppe neuronaler Subtypen (d. h. Nozizeptoren) einen trophischen Faktor darstellt (Lallemend und Ernfors, 2012). Andere neuronale Subtypen des DRG (z. B. Propriozeptoren) erhalten keine trophische Unterstützung durch NGF und wurden daher von diesen Kulturen ausgeschlossen (Lallemend und Ernfors, 2012). Die Frage, ob sowohl Nozizeptoren als auch Propriozeptoren auf MAP7 angewiesen sind, ist besonders interessant, da sie auf unterschiedliche Ziele projizieren. Tymanskyj et al. (2017) stellten jedoch fest, dass (1) nur eine Untergruppe von Verzweigungen aus einer MAP7-angereicherten Region hervorging, (2) nur eine Untergruppe von MAP7-angereicherten Regionen entlang des Axons Verzweigungen produzierte und (3) MAP7mshi-Mäuse Verzweigungsanomalien in zentralen, aber nicht in peripheren Projektionen aufwiesen. Daher ist es wahrscheinlich, dass andere Faktoren die Verzweigungsbildung in diesen Axonen steuern.

Umfangreiche Arbeiten haben gezeigt, dass Umweltreize die Bildung von Axonverzweigungen formen, indem sie eine stark regulierte Abfolge von Zytoskelett-Ereignissen auslösen, einschließlich der Bildung von Aktin-Patches, der Entstehung von Filopodien und der Mikrotubul-Polymerisation und -Depolymerisation (Armijo-Weingart und Gallo, 2017). Mikrotubuli-assoziierte Proteine (MAPs) können Veränderungen des Zytoskeletts vermitteln, indem sie die Stabilität und Bündelung von Mikrotubuli positiv oder negativ beeinflussen (Armijo-Weingart und Gallo, 2017). Ähnlich wie die neue Rolle von MAP7 bei der Reifung der sensorischen Verzweigungen haben frühere Arbeiten eine Rolle für MAP7 bei der Mikrotubulusstabilität der Sertoli-Zellen und der Spermatogenese identifiziert, wobei das Fehlen von MAP7 bei Mäusen zu männlicher Sterilität führt (Komada et al., 2000; Magnan et al., 2009). Umgekehrt haben Tymanskyj und andere (Tymanskyj et al., 2012; Barnat et al., 2016) MAP1B als einen negativen Regulator der Axonverzweigung und -reifung in kortikalen und erwachsenen DRG-Neuronen identifiziert. Diese Arbeiten werfen ein Licht auf den vielfältigen Protein-Werkzeugkasten, der den intrinsischen Verzweigungsreifungsprogrammen zur Verfügung steht. Eine interessante Frage ist, was den Wettbewerb zwischen positiven und negativen Regulatoren um die Bildung oder Zerstörung von Verzweigungen steuert.

Lokal getrennte Verzweigungen eines einzelnen Neurons können auf permissive und/oder restriktive Signale reagieren. Wie oben erwähnt, finden Tymanskyj et al. (2017), dass MAP7mshi-Mäuse eine abweichende kollaterale Verzweigung im Rückenmark, aber nicht in der Vorderpfote haben, was darauf hindeutet, dass diese abweichenden Verzweigungen auf unterschiedliche Umweltreize reagieren. Diese offensichtliche Beschränkung der MAP7-Funktion auf zentrale, aber nicht periphere, kollaterale Verzweigungen spiegelt die einseitige Funktion der SAD-Kinasen bei der zentralen, aber nicht peripheren Innervation in propriozeptiven Neuronen, einem anderen sensorischen Neuronensubtyp, wider (Lilley et al., 2013). Lilley et al. (2013) schlagen ein Modell vor, in dem SAD-Kinasen Axonausläufer durch sequenzielle lang- und kurzfristige Neurotrophinexposition formen. Propriozeptive Neuronen erhalten eine tonische Langzeitexposition gegenüber Neurotrophin-3 von peripheren Zielen, wie dem Muskel, was zu einer Hochregulierung der SAD-Kinase-Expression führt. Diese Hochregulierung bereitet die Axone auf die intrinsische Verzweigungsprogrammierung vor, aber dieser vorbereitete Weg wird nur nach einer kurzzeitigen Neurotrophin-3-Exposition von Zielneuronen im Rückenmark, wie z. B. Motoneuronen, ausgelöst, um eine üppige Verzweigung im ventralen Rückenmark zu induzieren (Lilley et al., 2013). Im Gegensatz dazu kann die Axonmusterung bei anderen neuronalen Subtypen durch andere extrazelluläre Hinweise gesteuert werden. Das sympathische Nervensystem, eine weitere Neurotrophin-abhängige Population, reagiert beispielsweise auf zwei verschiedene neurotrophe Hinweise in aufeinanderfolgenden Schritten während der axonalen Projektion. Sympathische Axone wachsen zunächst entlang von Blutgefäßen, einem Zwischenziel, das ein Neurotrophin absondert, das die Axonausdehnung fördert (Kuruvilla et al., 2004). Bei der endgültigen Innervation werden die Axonendigungen jedoch dem NGF ausgesetzt, das vom Zielgewebe produziert wird. NGF aus dem Zielgewebe löst einen Signalschalter aus, der das Axonwachstum stoppt und die Verzweigung fördert, um eine umfassende Innervation des Zielgewebes zu ermöglichen (Suo et al., 2015). Möglicherweise hängt die MAP7-abhängige Verzweigungsreifung auch von entweder (1) einem einzigen Axonmuster mit zeitlich und örtlich unterschiedlichen Mustern oder (2) verschiedenen aufeinanderfolgenden Hinweisen von Zwischen- und Endzielen ab.

Neurologische Störungen können mit einem veränderten Axonverhalten und einer veränderten Konnektivität des Gehirns einhergehen, was zu ihrer komplexen und multifaktoriellen Natur beiträgt. Interessanterweise wird MAP7 in embryonalen Mäusegehirnen exprimiert, und Studien zur genetischen Feinkartierung zeigen eine signifikante Assoziation von MAP7-Einzel-Nukleotid-Polymorphismen mit Schizophrenie (Fabre-Jonca et al., 1998; Torri et al., 2010; Venkatasubramanian, 2015). Nach den Entdeckungen von Tymanskyj et al. (2017) im peripheren Nervensystem wird es von entscheidender Bedeutung sein, die MAP7-Regulierung der Reifung von Axonverzweigungen im Gehirn zu untersuchen, um jeden Zusammenhang zwischen MAP7 und Schizophrenie zu klären. Über die Entwicklung des peripheren Nervensystems hinaus ist die kollaterale Verzweigung von Axonen im gesamten Nervensystem erforderlich und für die richtige Verdrahtung entscheidend. Frühere Studien deuten darauf hin, dass die Aktivierung intrinsischer zellulärer Programme, die die Mikrotubuli-Polymerisation fördern, das Nachwachsen und die Verzweigung von Axonen nach Verletzungen positiv regulieren kann (Ruschel et al., 2015). Um potenzielle therapeutische Ziele für das Nachwachsen von Axonen zu erkennen, könnten sich künftige Untersuchungen daher auf MAP7 konzentrieren, um die intrinsische Entwicklungsprogrammierung wieder in Gang zu setzen.