Molecular mechanisms of neuroprotection and regenrative axon growth in the brain

GesamthabilitationsschriftDas ZNS ist ein komplex verschaltetes System, bei dem die sinnvollen Verbindungen zwischen den Neuronen untereinander entscheidende Voraussetzung für das Funktionieren und die höheren Leistungen sind. Eine akute Schädigung führt zum Verlust von neuronalen Verbindungen und kann schliesslich zu neuronalem Zelltod führen. Nach Abklingen der akuten Phase kommt es im ZNS nur zum spärlichen Wiederauswachsen von Axonen und damit zum dauerhaften Verlust von Funktionen. Daher ist das therapeutische Ziel, Neurone vor dem Zelltod zu bewahren und die neuronale Regeneration mit dem Ziel der Restitutio ad integrum zu fördern, und damit die verlorengegangenen Funktionen wiederzuerlangen. So ist der Gegenstand dieser Schrift die Aufklärung der molekularen Mechanismen der Zellprotektion von Selen und der Regeneration durch die neu identifizierten Plasticity-Related Genes (PRGs). Es konnte in den vorgestellten Arbeiten das Spurenelement Selen als neuroprotektive Substanz identifiziert werden, dass Neurone vor dem exzitatorischen und oxidativen Zelltod bewahrt. Selen erweist sich dabei als hochpotent. So sind schon nanomolare Konzentrationen an Selen effektiv. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Selen nicht einfach als Sauerstoffradikalfänger wirkt, sondern es zur Neuroprotektion der de novo Proteinsynthese bedarf. Da die neuroprotektiven Effekte von Selen in die ‘Todesstrecke’ vieler neuropathologischer Prozesse (wie Ischämie und epileptischen Krampfanfälle) eingreifen, ist die adequate Selenzufuhr eine wichtige Strategie zur Prävention von neuronalem Zellschaden. Darüber hinaus bietet Selen eine neue Alternative zu den Antioxidantien und könnte durch die hohe Potenz bei exzitatorischen Schäden klinische Anwendung finden. Mit der PRG Familie wurde eine neue Proteinfamilie im ZNS mit auswachsfördernden Effekten entdeckt. Dabei zeigte sich, dass PRG-1 im sich entwickelnden und in regenerierenden Neuronen exprimiert wird und vor dem LPA-induzierten Axonkollaps schützt. LPA selbst ist im ZNS nach einer Schädigung vorhanden und inhibiert axonales Wachstum. PRG-1 ist in der Lage, die LPA-Rezeptoraktivierung zu regulieren und damit in die RhoA Signalkaskade einzugreifen. Somit können PRG-1 exprimierende Neurone die auswachsinhibitorische Umgebung überkommen und in ihr Zielgebiet wieder einwachsen. Darüber hinaus induziert PRG-3, ein weiteres Mitglied der PRG Familie, das Neuritenwachstum und steigert das Längenwachstum. Weitere Untersuchungen mit genetisch veränderter PRG-1 Expression werden in Zukunft die Rolle von PRG-1 in vivo aufklären und die Möglichkeit einer klinischen Anwendung prüfen.The central nervous system is a highly wired structure, in which functional connections are necessary for proper functioning. Acute brain damage leads to a loss of neuronal connections and eventually to neuronal cell death. However, only weak axonal regeneration occurs following the acute phase of degeneration which leads to permanent functional loss. Thus, it is a therapeutic aim to prevent neuronal cell death and to improve neuronal regeneration to regain proper brain function. Therefore, the goal of this thesis is to investigate the molecular mechanisms of cell protection mediated by the trace element selenium and axonal regenerative growth induced by Plasticity-Related Genes (PRGs). Selenium is highly neuroprotective in nano molar range and requires the de novo protein synthesis. Thus, selenium does not act simply as a radical scavenger rather than induces translation of proteins which protect from oxidative stress and excitotoxicity. Since selenium acts within the common death pathway of many neuropathological processes, it is conceivable to use selenium in clinical settings. Second, we discovered a novel gene family, named Plasticity-Related Genes (PRGs, PRG1-PRG-5) with regenerative potential. As prototypic representatives, PRG-1 and PRG-3 are regulated during brain development and show upregulation following brain lesion. Furthermore, PRG-1 and PRG-3 induces neurite growth and prevent from LPA-induced axon collapse. Further studies include the analysis of transgenic mice overexpressing GFP- tagged PRG-1 and PRG-3 as well as gene disruption mutants, which will provide a valuable tool to prove the regenerative capacity of PRGs in vivo