The role of transforming growth factors-beta (TGF-β) in the development of synapses

Abstract

Die transformierenden Wachstumsfaktoren-beta (TGF-β) stellen eine Superfamilie von Proteinen dar, die in der Entwicklung und Differenzierung des Nervensystems unterschiedlichste Funktionen erfüllen. Ihre Rolle in der Synaptogenese in Säugetieren ist jedoch bislang nur teilweise untersucht und insbesondere zur Funktion der Isoformen TGF-β1, -β2 und -β3 liegen keine Befunde vor. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war daher, die biologische Bedeutung von TGF-β2 in der Entstehung und Funktion von Synapsen zu untersuchen. Als Modell dienten dabei embryonale TGF-β2-defiziente Mäuse, in denen Synapsen des peripheren und zentralen Nervensystems untersucht wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Innervation des Zwerchfells, die Faszikulation des Nervus phrenicus und die Morphologie der neuromuskulären Endplatte durch die Deletion von TGF-β2 nicht beeinträchtigt wurden. Es wurde jedoch eine signifikant reduzierte Anzahl von neuromuskulären Endplatten festgestellt und in vitro-Experimente mit C2C12-Zellen gaben einen Hinweis darauf, dass diese Reduzierung durch einen Verlust an Agrin-stabilisierten Azetylcholin-Rezeptor-Clustern verursacht sein könnte. Dies führte zu der Hypothese, dass TGF-β2 an der neuromuskulären Endplatte als Ko-Faktor für Agrin die Nerv-Muskel-Interaktion modulieren könnte. Die TGF β2-defizienten Embryonen wiesen eine ausgeprägte Disorganisation des Zwerchfellmuskels und eine gestörte Differenzierung der Muskelzellen auf. Dies bestätigte die Annahme, dass TGF-β2 an der Differenzierung von Myoblasten beteiligt ist.In einer elektrophysiologischen Untersuchung des Prä-Bötzinger-Komplexes, der Teil des respiratorischen Systems der ventralen Medulla ist, wurde in TGF-β2-defizienten Embryonen eine signifikant erniedrigte Netzwerk-Aktivität festgestellt. Diese konnte auf eine verminderte glutamaterge und GABAerge/glyzinerge Transmission zurückgeführt werden. Gleichzeitig ist durch diese Beobachtung der Verlust der Atemtätigkeit der TGF-β2-defizienten Tiere zu erklären, die in dieser Arbeit ebenfalls belegt wurde und die wahrscheinlich zur kongenitalen Zyanose der Tiere führt. Der verminderten synaptischen Transmission lag keine verminderte Anzahl von Synapsen und damit wahrscheinlich kein Defekt in der Synaptogenese zugrunde. Es wurde deshalb geprüft, ob die verminderte Transmission durch eine beeinträchtigte synaptische Funktion wie zum Beispiel eine veränderte Mobilität der Neurotransmitter-Vesikel verursacht werden könnte. In hippokampalen Neuronen wurde daher der Einfluss von TGF-β auf die Phosphorylierung von Synapsin untersucht, da diese zu einer Umverteilung der Vesikel in den synaptischen Terminalien beiträgt. Es konnte eine erhöhte Phosphorylierung verschiedener Synapsin-Isoformen nach akuter Behandlung mit TGF-β und eine Hypophosphorylierung nach Blockierung des TGF-β-Rezeptor Typ I demonstriert werden. Dies gibt einen Hinweis darauf, dass auch TGF-β2 in vivo über die Phosphorylierung von Synapsin die Beweglichkeit der Vesikel und damit die effiziente synaptische Transmission modulieren könnte.Die Ergebnisse dieser Arbeit beleuchten Aspekte der biologischen Bedeutung von TGF-β2 an peripheren und zentralen Synapsen in Säugetieren und weisen darauf hin, dass TGF-β2 ähnlich wie glass bottom boat in Drosophila und TGF-β1 in Aplysia die Interaktion von Prä- und Postsynapse und die Funktion von Synapsen modulieren kann