De rol van MAP7 in de collaterale vertakking van axonen in kaart gebracht

Neuronen hebben verschillende en verschillende dendritische en axonale morfologieën. Een goede ontwikkeling van deze structuren is van vitaal belang voor een normale functie en connectiviteit. Inderdaad, abnormale neuronale morfologie is in verband gebracht met verschillende neurobiologische en psychiatrische aandoeningen (Luo en O’Leary, 2005). De ontwikkeling van verschillende axonale morfologieën hangt af van het vermogen van groeiende axonen om te reageren op extracellulaire signalen. Deze signalen induceren gelokaliseerde cytoskeletale hermodellering voor axonale draaiing en vertakking (Armijo-Weingart en Gallo, 2017).

De ontwikkeling van axonen in DRG sensorische neuronen is sterk stereotiep en biedt daarom een goed model voor het begrijpen van het mechanisme van axonvertakking. Deze sensorische axonen splitsen zich bij binnenkomst in het ruggenmerg, en dochter-axonen breiden zich ofwel anterieur of posterieur uit. Het voorwaarts groeiende axon zal opstijgen om sensorische informatie door te geven die bestemd is voor de hersenen. Bovendien zullen ascenderende en descenderende axonvertakkingen interstitiële axon collateralen genereren die zich vormen van een gevestigde axonschacht om verschillende lamina langs de dorsale-ventrale as binnen het ruggenmerg te innerveren (Gibson en Ma, 2011).

Recent werk van Tymanskyj et al. (2017) trachtte eiwitten te identificeren die axonale vertakking in DRG sensorische neuronen mediëren. Om dit te doen, vergeleken ze transcriptionele profielen van DRG neuronen voor en na de vorming van collaterale takken. Omdat microtubule associated protein 7 (MAP7) sterk werd geüpreguleerd na collaterale vorming, onderzochten de auteurs vervolgens de effecten van MAP7 overexpressie en knockdown op primaire sensorische neuronculturen die werden geoogst in vroege en late embryonale stadia. Overexpressie van MAP7 verhoogde het aantal interstitiële vertakkingen in jongere neuronen die normaal geen MAP7 tot expressie brengen. Omgekeerd resulteerde het uitschakelen van MAP7 in oudere neuronen die gekweekt werden na takvorming in vivo in minder interstitiële takken in vitro. Deze experimenten toonden aan dat MAP7 zowel voldoende als noodzakelijk is voor interstitiële vertakking in sensorische neuronen.

Tymanskyj et al. (2017) redeneerden dat een regulator van takvorming zich waarschijnlijk zou lokaliseren in regio’s van een axon waar takken ontstaan. De auteurs vonden inderdaad een sterke voorkeur voor MAP7 bij vertakkingspunten. Omdat ontluikende takken gevormd worden uit filopodia die gestabiliseerd worden door microtubulepenetratie, zou de timing van MAP7-lokalisatie bij vertakkingspunten wijzen op zijn rol bij het bepalen van de timing en het patroon van takvorming. De auteurs voerden daarom live beeldvorming uit en stelden vast dat fluorescent gelabeld MAP7 afwezig was in pionier filopodia, maar een vertraagde intrede had in nieuwe filopodia die verrijkt waren met microtubuli. Verder onderzoek toonde aan dat MAP7 bij voorkeur gelokaliseerd was in lange en stabiele takken. Samen geven deze studies aan dat MAP7 kritisch is voor de rijping van de takken, maar waarschijnlijk niet voor de vorming van de eerste takken.

Hoewel deze in vitro manipulaties een rol voor MAP7 in collaterale vertakking vaststelden, trachtten de auteurs dit te staven door gebruik te maken van een muismutant waarbij het MAP7 eiwit is afgekapt aan de C terminus (MAP7mshi) (Turner et al., 1997). Eerder was aangetoond dat de C-terminus van MAP7 een wisselwerking heeft met kinesine (Sung et al., 2008; Barlan et al., 2013). Dus redeneerden Tymanskyj et al. (2017) dat dit het mechanisme was voor axonvertakking en dat MAP7mshi neuronen minder collateralen zouden hebben. Verrassend genoeg hadden sensorische neuronen gekweekt uit MAP7mshi muizen een drastische toename in axonvertakking in vergelijking met neuronen uit controledieren. Dit, in combinatie met eerdere in vitro bevindingen, impliceert sterk dat de N terminus, en niet de C terminus, van MAP7 van vitaal belang is voor het bevorderen van axon collaterale vertakking. Intrigerend is dat als de C-terminus overbodig zou zijn voor het bevorderen van vertakking, het verstandig zou zijn te veronderstellen dat MAP7mshi-neuronen vergelijkbaar zouden zijn met neuronen uit de controlegroep; maar in plaats daarvan resulteert het verlies van de C-terminus van MAP7 in een versterking van de collaterale vertakking. Een mogelijke verklaring is dat een C-terminaal domein de N-terminale functie blokkeert en verlies van de C terminus leidt tot exuberante vertakking. Het is ook mogelijk dat C-terminale truncatie leidt tot abnormaal hoge niveaus van MAP7 eiwit in de gemuteerde muizen die axonvertakking bevorderen, vergelijkbaar met MAP7 overexpressie in vitro. Hoewel Tymanskyj et al. (2017) in situ analyse en RT-PCR gebruikten om de aanwezigheid van het afgeknotte mRNA in MAP7mshi dieren te bevestigen, zijn de vergelijkbare expressieniveaus van MAP7 onduidelijk. De precieze regulerende rol van de C-terminus zal dus verder moeten worden bestudeerd.

Een belangrijke ontdekking van de MAP7mshi-dieren kwam uit de analyse van DRG sensorische neuronprojecties. Zintuiglijke neuronen moeten zowel perifeer doelweefsel, zoals huid en spieren, als het ruggenmerg goed innerveren door een aantal axon collateralen in beide regio’s te vormen voor een nauwkeurige gevoeligheid voor externe stimuli. Interessant genoeg vertoonden MAP7mshi muizen een verhoogd aantal axon collateralen die zich vertakken in het ruggenmerg in vergelijking met controledieren, terwijl het aantal collateralen in de voorpoot normaal was. De afwijkende innervatie van DRG axonen naar het ruggenmerg in MAP7mshi muizen werd geassocieerd met thermische hyperalgesie, wat suggereert dat DRG nociceptoren afhankelijk zijn van MAP7 voor de juiste axonvorming. Of andere subtypes van DRG neuronen MAP7 nodig hebben moet verder onderzocht worden. Hoewel Tymanskyj et al. (2017) een heterogene populatie van sensorische neuronen van gedissocieerde DRGs kweekten, vulden zij deze culturen aan met zenuwgroeifactor (NGF), die trofische factor levert voor slechts een subset van neuronale subtypes (d.w.z. nociceptoren) (Lallemend en Ernfors, 2012). Andere DRG neuronale subtypes (bv. proprioceptoren) krijgen geen trofische steun van NGF en werden daarom uitgesloten van deze culturen (Lallemend en Ernfors, 2012). Of zowel nociceptoren als proprioceptoren afhankelijk zijn van MAP7 is bijzonder interessant omdat ze naar verschillende doelwitten projecteren. Opmerkelijk is echter dat Tymanskyj et al. (2017) vonden dat (1) slechts een subset van takken voortkwam uit een met MAP7 verrijkt gebied, (2) slechts een subset van met MAP7 verrijkte gebieden langs het axon takken produceerde, en (3) MAP7mshi muizen vertakkingsafwijkingen hadden in centrale maar niet in perifere projecties. Het is dus waarschijnlijk dat andere factoren de takvorming in deze axonen bepalen.

Uitputtend werk heeft aangetoond dat omgevingsfactoren vorm geven aan axon takvorming door het triggeren van een sterk gereguleerde opeenvolging van cytoskeletale gebeurtenissen, waaronder actine patch vorming, filopodiale opkomst, en microtubule polymerisatie en depolymerisatie (Armijo-Weingart en Gallo, 2017). Microtubule-geassocieerde eiwitten (MAP’s) kunnen cytoskeletale veranderingen bemiddelen door de stabiliteit en bundeling van microtubuli positief of negatief te beïnvloeden (Armijo-Weingart en Gallo, 2017). Vergelijkbaar met de nieuwe rol voor MAP7 in sensorische takrijping, identificeerde eerder werk een rol voor MAP7 in Sertoli cel microtubule stabiliteit en spermatogenese, waar de afwezigheid van MAP7 in muizen leidt tot mannelijke steriliteit (Komada et al., 2000; Magnan et al., 2009). Omgekeerd hebben Tymanskyj en anderen (Tymanskyj et al., 2012; Barnat et al., 2016) MAP1B geïdentificeerd als een negatieve regulator van axonvertakking en maturatie in corticale en volwassen DRG neuronen. Deze werken werpen licht op de diverse eiwit toolbox die beschikbaar is voor de intrinsieke tak-rijping programma’s. Een intrigerende vraag is wat de competitie regelt tussen positieve en negatieve regulatoren om de bouw of vernietiging van takken te mediëren.

Lokaal gescheiden takken van een enkel neuron kunnen reageren op permissieve en/of restrictieve signalen. Zoals hierboven vermeld, vinden Tymanskyj et al. (2017) dat MAP7mshi-muizen afwijkende collaterale vertakkingen hebben in het ruggenmerg, maar niet in de voorpoot, wat suggereert dat deze divergerende takken reageren op verschillende omgevingscues. Deze schijnbare beperking van de MAP7 functie tot centrale, maar niet perifere, collaterale vertakkingen weerspiegelt de eenzijdige functie van SAD kinasen in centrale, maar niet perifere, innervatie in proprioceptieve neuronen, een ander sensorisch neuron subtype (Lilley et al., 2013). Lilley et al. (2013) stellen een model voor waarin SAD kinases axonale arbors modelleren door opeenvolgende lange- en korte-termijn blootstelling aan neurotrofines. Proprioceptieve neuronen ontvangen tonische lange-termijn blootstelling aan neurotrofine-3 van perifere doelen, zoals de spier, wat resulteert in upregulatie van SAD kinase expressie. Deze upregulatie bereidt axonen voor op intrinsieke tak programmering, maar deze geprimede route wordt alleen geactiveerd na kortdurende blootstelling aan neurotrofine-3 van doelneuronen in het ruggenmerg, zoals motorneuronen, om overvloedige vertakking in het ventrale ruggenmerg te induceren (Lilley et al., 2013). In tegenstelling, kan axon patroon in andere neuronale subtypes worden beheerst door verschillende extracellulaire signalen. Bijvoorbeeld, het sympathische zenuwstelsel, een andere neurotrofine-afhankelijke populatie, reageert op twee verschillende neurotrofische signalen in opeenvolgende stappen tijdens axonale projectie. Sympatische axonen groeien aanvankelijk langs bloedvaten, een intermediair doelwit, dat een neurotrofine afscheidt dat de axonverlenging bevordert (Kuruvilla et al., 2004). Echter, bij de uiteindelijke innervatie worden axon terminals blootgesteld aan NGF dat geproduceerd wordt door het doelweefsel. NGF afkomstig van het doelweefsel induceert een signaalschakelaar om axongroei te stoppen en vertakking aan te moedigen om uitgebreide innervatie van het doelwit mogelijk te maken (Suo et al., 2015). Misschien is MAP7-afhankelijke takrijping ook afhankelijk van ofwel (1) een enkele axon patroon cue met temporele en lokaal verschillende patronen of (2) verschillende sequentiële cues van intermediaire en einddoelen.

Neurologische aandoeningen kunnen worden geassocieerd met veranderd axon gedrag en hersenconnectiviteit, wat bijdraagt aan hun complexe en multifactoriële aard. Intrigerend is dat MAP7 tot expressie komt in embryonale muizenhersenen, en fijne genetische mapping studies tonen een significante associatie in MAP7 single nucleotide polymorfismen met schizofrenie (Fabre-Jonca et al., 1998; Torri et al., 2010; Venkatasubramanian, 2015). Na de ontdekkingen in Tymanskyj et al. (2017) in het perifere zenuwstelsel, zal het van cruciaal belang zijn om MAP7 regulatie van axon tak maturatie in de hersenen te onderzoeken om een eventueel verband tussen MAP7 en schizofrenie op te helderen. Bovendien, buiten de ontwikkeling van het perifere zenuwstelsel, is axon collaterale vertakking vereist in het hele zenuwstelsel en is van cruciaal belang voor een goede bedrading. Eerdere studies tonen aan dat activatie van intrinsieke cellulaire programma’s die microtubule polymerisatie bevorderen axon hergroei en vertakking na letsel positief kan reguleren (Ruschel et al., 2015). Daarom, om potentiële therapeutische doelen voor hergroei van axonen te onderscheiden, kunnen toekomstige onderzoeken zich richten op MAP7 om intrinsieke ontwikkelingsprogrammering opnieuw in te schakelen.