Proliferating NG2-glia and their functional importance in the healthy and injured brain

Schneider, Sarah (2016): Proliferating NG2-glia and their functional importance in the healthy and injured brain. Dissertation, LMU München: Graduate School of Systemic Neurosciences (GSN)

Abstract

NG2-glia - also known as oligodendrocyte progenitor cells - constitute a fraction of around 5% of the adult cells in the rodent brain. NG2-glia are the only proliferating cells in the adult brain parenchyma and are additionally able to generate mature and myelinating oligodendrocytes throughout lifetime. Despite their high number and substantial characterization, their functional role both in the intact and injured adult brain remains unclear. To address this question, this thesis exploited the conditional genetic deletion of the Esco2 protein in the inducible Sox10iCreERT2xCAG-eGFPxEsco2fl/fl mouse line to specifically trigger apoptosis in dividing NG2-glia during M-phase. Using this mouse line, it could be shown in this work that deletion of the Esco2 protein in NG2-glia in the adult brain induced progressive cell death in the dividing recombined cells. This process is compensated by enhanced proliferation of the nonrecombined subpopulation, so that no change in the overall NG2-glia numbers could be observed. Specifically in the white matter of the cerebral cortex, the continuous loss of NG2- glia resulted in a decreased number of newly generated oligodendrocytes that was followed by structural as well as functional changes in the nodes of Ranvier. As a consequence, a deceleration in the nerve conduction velocity of myelinated WM fibers could be measured. These animals – in contrast to control littermates – developed progressive motor deficits both in general as well as in the fine-coordinated movements. As NG2-glia after acute brain injury strongly react to this insult by increasing their proliferation rate more than 15-fold, the function of these proliferating NG2-glia was also analyzed by ablating them after an acute stab wound lesion using the above mentioned genetic model. The fast ablation of proliferating recombined NG2-glia resulted in a transient but significant diminishment of the overall NG2-glia population in close proximity to the lesion site. As a consequence of this cell number reduction, the wound closure capacity was significantly delayed. Furthermore, the transient reduction of these cells resulted in a severely disturbed reaction of both the microglial and astrocyte population. Taken together, the findings obtained in this work strongly suggest that proliferating NG2-glia and newly generated oligodendrocytes in the adult brain are: (I) crucial for the maintenance of myelin-associated structures and the underlying physiological function in the healthy mouse, as well as (II) for proper tissue repair and the injury-related glial reaction in the pathological brain.

Abstract

NG2-glia – auch bekannt als Oligodendrozyten-Vorläuferzellen – bilden mit etwa 5% eine Hauptfraktion der Zellen im erwachsenen Gehirn von Nagetieren und sind dort die einzigen sich teilenden Zellen außerhalb der neurogenen Nischen. Zudem sind sie während des ganzen Lebens fähig, reife und myelinisierende Oligodendrozyten zu bilden. Trotz ihres hohen Vorkommens sowie ihrer umfangreichen Charakterisierung ist ihre eigentliche Funktion sowohl im intakten als auch im verletzten erwachsenen Gehirn größtenteils unbekannt. Um dieses Feld näher zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit die genetische Entfernung des Esco2- Proteins in der induzierbaren Sox10iCreERT2xCAG-eGFPxEsco2fl/fl-Mauslinie verwendet, um spezifisch den apoptotischen Zelltod während der M-Phase in proliferierenden NG2-glia auszulösen. Mit dieser Mauslinie konnte gezeigt werden, dass der Verlust des Esco2-Proteins in NG2-Glia im erwachsenen Gehirn einen fortschreitenden Zelltod in sich teilenden, rekombinierten Zellen auslöst, der von nicht rekombinierten Zellen durch eine erhöhte Teilungsrate kompensiert wird. Besonders in der weißen Substanz führte der kontinuierliche Verlust von NG2-glia zu einer reduzierten Anzahl an neu gebildeten Oligodendrozyten. Dieser Beobachtung folgten weiterhin sowohl strukturelle als auch funktionale Veränderungen in den Ranvierschen Schnürringen. Diese Veränderungen führten wiederum zu einer Verlangsamung in der Geschwindigkeit der Nervenleitung. Im Gegensatz zu den Kontrolltieren entwickelten diese Mäuse zunehmende motorische Störungen - sowohl in den generellen als auch im feinmotorischen Bewegungsablauf. NG2-glia erhöhen ihre Proliferationsrate nach einer Verletzung mehr als 15-fach und reagiren auch anderweitig sehr stark auf pathologische Einflüsse. Daher wurde in dieser Arbeit mit dem gleichen Mechanismus zusätzlich die Funktion von proliferierenden NG2-Glia nach akuter Gehirnverletzung untersucht. Der schnelle Zelltod der rekombinierten NG2-Glia führte in diesem Fall zu einer erheblichen, vorübergehenden Reduktion der NG2-Glia-Population in unmittelbarer Umgebung der Verletzung. Als Konsequenz dieses Zellverlustes resultierte eine Verspätung im Wundverschluss. Zusätzlich führte der vorübergehende Zellverlust ebenso zu einer stark veränderten Reaktion der Mikroglia- als auch der Astroglia-Populationen. Zusammenfassend suggerieren diese Ergebnisse, dass sich im physiologischen Maße teilende NG2-Glia sowie eine korrekte Anzahl neu gebildeter Oligodendroglia einen beträchtlichen Einfluss auf die Erhaltung der Ranvierschen Schnürringe, auf deren grundliegende physiologische Funktionen im gesunden Gehirn sowie auf eine angemessene Reparatur und die damit verbundene allgemeine Gliazellen-Reaktion im verletzten Gehirn haben.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: NG2-glia, proliferation, differentiation
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
• Fakultäten: Graduate School of Systemic Neurosciences (GSN)
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 3. Februar 2016
• 1. Bericht­erstatter:in: Dimou, Leda