Conditional inactivation of Pten in a new mouse model of tomaculous neuropathies

In der Entwicklung des peripheren Nervensystems formen Schwannzellen eine Myelinscheide um Axone mit einem Durchmesser von mehr als 1 μm durch die Bildung multipler kompakter Membranschichten. Voraussetzung einer optimalen Nervenleitgeschwindigkeit ist dabei ein physiologisches Verhältnis der Dicke der Myelinscheide zu dem jeweiligen Axondurchmesser. Eine zentrale Rolle spielt dabei der axonale EGF-like growth factor NRG1 Typ III, der ErbB2/3- Rezeptoren der Schwannzelle bindet. Der PI3K-AKT-Signalweg ist ein bekannter intrazellulärer Effektor des ErbB2/3-Rezeptors und wurde bereits mit dem Prozess der Myelinisierung in Verbindung gebracht. Um die spezifische Funktion des PI3K-AKT-Signalwegs in Schwannzellen zu erforschen, generierten wir mit Hilfe des Cre/LoxP-Systems Mausmutanten, die eine zellspezifische Inaktivierung des Gens Phosphatase and Tensin Homolog (Pten) in myelinisierenden Gliazellen aufweisen (Pten-Mutanten). Der Verlust der Lipidphosphatase PTEN führte zu einer Anreicherung ihres Substrates, des second messenger Phosphatidyl-(3,4,5)-Trisphosphat (PIP3), und damit zu einer gesteigerten Aktivität des PI3K-AKT-Signalwegs in den Schwannzellen der Pten-Mutanten. Wir beobachteten in den Pten-Mutanten eine ektopische Myelinisierung von unmyelinisierten C- Faser-Axonen sowie eine Hypermyelinisierung von Axonen bis 2 μm Durchmesser. Bei Axonen über 2 μm Durchmesser kam es zu Myelinausfaltungen und fokalen Hypermyelinisierungen (Tomacula) anliegend an Regionen des unkompakten Myelins (Paranodien und Schmidt- Lantermann-Inzisuren). Weiterhin bildeten die mutanten Remak-Schwannzellen unkompakte Membranwicklungen um nicht-myelinisierte C-Faser-Axone und um Kollagenfaserbündel aus („Remak-Myelin“). Sowohl in den Regionen unkompakten Myelins als auch in Remak- Schwannzellen konnte eine erhöhte Aktivität des PI3K-AKT-Signalwegs nachgewiesen werden. Vermutlich setzt die Anreicherung von PIP3 mit Überaktivierung des PI3K-AKT-Signalwegs in den mutanten Gliazellen einen zellautonomen Prozess der Umwicklung von Axonen in Gang. Die zusätzliche Bildung von „Remak-Myelin“ um Kollagenfasern, die keine Membranoberfläche besitzen, weist darauf hin, dass dieser Prozess nicht von einer bidirektionalen axo-glialen Kommunikation abzuhängen scheint. Die beobachteten Tomacula und Myelinausfaltungen zeigten Ähnlichkeiten mit Mausmodellen für hereditäre Neuropathien des Menschen, wie HNPP und CMT4B. Wir vermuten, dass PTEN im unkompakten Myelin unkontrolliertes Membranwachstum verhindert und dass eine gestörte Balance von Phosphoinositiden einen Pathomechanismus von tomaculösen Neuropathien darstellt. Somit identifizieren wir den PI3K-AKT-Signalweg als ein mögliches Ziel zukünftiger Therapiekonzepte für hereditäre Neuropathien des Menschen.Schwann cells in the peripheral nervous system form the myelin sheath by wrapping multiple membrane layers around axons with a diameter greater than 1 μm. Such ensheathment of the axon is considered an important prerequisite for an optimal nerve conduction velocity. A factor considered crucial for Schwann cell development and the initiation of myelination is the axonal EGF-like growth factor NRG1 type III, which binds the ERB2/3 receptor on Schwann cells. The PI3K-AKT pathway is a known downstream effector of ERB2/3-activation and has already been associated with myelination. To examine the role of PI3K-AKT signaling in Schwann cells, we generated mouse mutants by inactivating the gene Phosphatase and Tensin Homolog (Pten) in Schwann cells and oligodendrocytes using of the Cre/loxP-system (Pten-Mutants). The loss of the lipid- phosphatase PTEN resulted in an accumulation of its substrate, the second messenger Phosphatidyl-(3,4,5)-trisphosphate (PIP3), and consequently in an overactivation of the PI3K- AKT-pathway. We observed an ectopic myelination of normally unmyelinated C-fiber axons as well as a hypermyelination of axons up to a diameter of 2 μm in the Pten-Mutants. Axons greater than 2 μm in diameter showed myelin outfoldings and focal hypermyelinations (Tomacula) adjacent to regions of uncompact myelin (paranodal loops and Schmidt-Lantermann incisures). Additionally, mutant Remak Schwann cells formed uncompact membrane wrappings around normally unmyelinated C-fiber axons (‘Remak-myelin’) and even around collagen fibrils. An increased activity of the PI3K-AKT pathway could be detected in regions of uncompact myelin as well as in the Remak bundles of the Pten-Mutants. We presume that the accumulation of PIP3 with the increased PI3K-AKT-signaling triggers a cell-autonomous membrane wrapping of axons by mutant glial cells. The observation of ‘Remak- Myelin’ around collagen fibrils, which lack any membrane surface, indicates that this wrapping seems not to be dependent on bidirectional axo-glial signaling. The observed myelin outfoldings and Tomacula resembled hallmarks of mouse mutants for human hereditary neuropathies, like HNPP and CMT4B. We suggest that PTEN preserves regions of uncompact myelin against uncontrolled membrane growth and that a disturbed balance of PIP3 and other phosphoinositides might play a critical role in the pathology of different neuropathies. We therefore propose the PI3K-AKT-pathway as a possible target for future therapies against human hereditary neuropathies.2017-02-0