Co-Signaling by Neurotrophic Factors and the Extracellular Matrix for Axonal Growth and Neuronal Survival

Neurotrophic factors (NTFs) and the extracellular matrix (ECM) are important regulators of axonal growth and neuronal survival in mammalian nervous system. Understanding of the mechanisms of this regulation is crucial for the development of posttraumatic therapies and drug intervention in the injured nervous system. NTFs act as soluble, target-derived extracellular regulatory molecules for a wide range of physiological functions including axonal guidance and the regulation of programmed cell death in the nervous system. The ECM determines cell adhesion and regulates multiple physiological functions via short range cell-matrix interactions. The present work focuses on the mechanisms of the action of NTFs and the ECM on axonal growth and survival of cultured sensory neurons from dorsal root ganglia (DRG). We first examined signaling mechanisms of the action of the glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) family ligands (GFLs) on axonal growth. GDNF, neurturin (NRTN) and artemin (ART) but not persephin (PSPN) promoted axonal initiation in cultured DRG neurons from young adult mice. This effect required Src family kinase (SFK) activity. In neurons from GFRalpha2-deficient mice, NRTN did not significantly promote axonal initiation. GDNF and NRTN induced extensive lamellipodia formation on neuronal somata and growth cones. This study suggested that GDNF, NRTN and ARTN may serve as stimulators of nerve regeneration under posttraumatic conditions. Consequently we studied the convergence of signaling pathways induced by NTFs and the ECM molecule laminin in the intracellular signaling network that regulates axonal growth. We demonstrated that co-stimulation of DRG neurons with NTFs (GDNF, NRTN or nerve growth factor (NGF)) and laminin leads to axonal growth that requires activation of SFKs. A different, SFK-independent signaling pathway evoked axonal growth on laminin in the absence of the NTFs. In contrast, axonal branching was regulated by SFKs both in the presence and in the absence of NGF. We proposed and experimentally verified a Boolean model of the signaling network triggered by NTFs and laminin. Our results put forward an approach for predictable, Boolean logics-driven pharmacological manipulation of a complex signaling network. Finally we found that N-syndecan, the receptor for the ECM component HB-GAM was required for the survival of neonatal sensory neurons in vitro. We demonstrated massive cell death of cultured DRG neurons from mice deficient in the N-syndecan gene as compared to wild type controls. Importantly, this cell death could not be prevented by NGF the neurotrophin which activates multiple anti-apoptotic cascades in DRG neurons. The survival deficit was observed during first postnatal week. By contrast, DRG neurons from young adult N-syndecan knock-out mice exhibited normal survival. This study identifies a completely new syndecan-dependent type of signaling that regulates cell death in neurons.Ihmikeho on miljardien solujen yhteisö, jossa ne kommunikoivat keskenään kemiallisten viestien, eli hormonien ja muiden molekyylien avulla. Jokainen solu reagoi viesteihin muokkaamalla käyttäytymistään siten, että organismi kokonaisuudessaan toimisi parhaiten. Solut analysoivat saapuvaa tietoa käyttämällä solunsisäisiä viestinvälitysverkostoja, jotka muistuttavat hieman ihmisen kehittämiä elektronisia laitteita. Tässä väitöskirjassa on tutkittu, mitä tapahtuu viestintäverkostossa, kun hermosolu saa samanaikaisesti kaksi kemiallista viestiä ja miten solu päättää kasvattaa aksonin (viejähaarakkeen), joka toimii johtimena sen ja muiden solujen välillä. Laminiini-nimisen molekyylin lähettämä kemiallinen viesti voidaan käsitellä kahdella eri tavalla viestiverkoston sisällä. Yhtä mekanismia käytetään, kun laminiinin viesti saapuu yksin, mutta jos solu saa samanaikaisesti viestin sekä laminiinlta että hermokasvutekijältä, käytetään eri mekanismia. Näitä kahta mekanismia säätelevät solunsisäiset molekyylit nimeltään Cdk5 ja Src perheen kinaasit. Matemaattista päättelyä, Boolen logiikkaa, käyttämällä näytettiin, kuinka nämä kaksi mekanismia ovat yhdistyneet viestiverkostossa. Gliiaperäisen kasvutekijän (GDNF) perheen jäseniä vertailtiin niiden kyvyn suhteen vaikuttaa aksonin eri kasvuvaiheisiin. Tämä tieto saattaa olla tärkeä vioittuneen hermoston hermosolun uudelleenkasvun ymmärtämiseksi. Työssä osoitetaan, että N-syndecanin niminen molekyyli vaaditaan vastasyntyneiden hiirten aistinhermosolujen selviytymiseksi. N-syndecan on reseptori, eli kemiallisen viestin vastaanottaja, ja sen ei ole aiemmin osoitettu toimivan hermosolujen elossa pysymisen säätelijänä. Niinpä saatu tulos voi tuoda esiin uuden tavan manipuloida solujen elossa pysymistä ja kuolemista hermostossa