Role of arylhydrocarbon receptor signalling in reactive gliosis

Many common neurological disorders like traumatic brain injury (TBI) or stroke cause a loss of functional neurons and trigger a comprehensive response of glial cells, called reactive gliosis. Since reactive gliosis produces a persisting glial scar and since neurogenesis in the adult mammalian brain is insufficient to replace lost neurons, these conditions often compromise cerebral functions and lead to permanent disability with enormous socioeconomic burdens. In the adult zebrafish brain, however, ventricular ependymoglia responds to brain injuries with increased generation of new neurons, which are recruited to the injury site. A key mechanism regulating differentiation and proliferation of neuronal precursors in zebrafish is the aryl hydrocarbon receptor (AhR) pathway. In other organs like the hematopoietic system, AhR is well known to control essential biological functions including stress response and maintenance, proliferation and differentiation of stem cells. As reactive astrocytes, one of the main actors in reactive gliosis, show features of neural stem cells, the aim of my thesis was to examine whether AhR signalling plays a role in reactive gliosis as well and to what capacity AhR activation affects the response to TBIs in the mammalian brain. To address this question, I looked at AhR expression in the intact and the injured mouse brain and analysed the effects of AhR activation in the injured cerebral cortex at cellular and molecular levels. For this, I used bromodeoxyuridine (BrdU) incorporation to examine proliferation of different glial cells in vivo, proteome analysis and the neurosphere assay, an in vitro tool to assesses the key features of neural stem cells: proliferation, self-renewal, and multipotency. In the intact brain, AhR was only detectable in the dentate gyrus of the hippocampus, which is known for its high neurogenic activity. Following brain injuries, however, AhR was also expressed in reactive astrocytes around the injury site and AhR activation significantly altered proliferation of reactive astrocytes in vivo. Oral application of an AhR agonist additionally enhanced stem cell properties of reactive astrocytes in vitro. It increased sphere formation of cells isolated from the injured cerebral cortex without limiting their self-renewing capacity or neurogenic potential. In brain regions where AhR is not expressed, treatment with an AhR agonist did not increase sphere formation. Proteome analysis confirmed the effects observed in vivo and in vitro and gave important hints about the mechanisms by which AhR signalling might induce changes in proliferation and in the potential of reactive astrocytes. These findings suggest AhR signalling as modulating factor in reactive gliosis and as key player in the mediation of stem cell properties in reactive astrocytes. It provides an interesting target for the reactivation of neurogenesis after brain damage and should therefore be subject of further research in order to aid the development of novel therapeutic strategies for all neurological conditions associated with a loss of functional neurons.Zahlreiche neurologische Erkrankungen, beispielsweise Schädel-Hirn-Traumata und Schlaganfälle, gehen mit dem Verlust von Neuronen einher und bewirken eine umfassende Reaktion glialer Zellen. Diese „reaktive Gliose“ führt bei Säugetieren zur Ausbildung einer permanenten Glianarbe. Aus diesem Grund und da untergegangene Nervenzellen im adulten Gehirn nicht durch die auf wenige Stammzellnischen begrenzte Neurogenese ersetzt werden können, gehen diese Erkrankungen beim Menschen häufig mit einer dauerhaften Behinderung sowie weitreichenden sozioökonomischen Belastungen einher. Beim Zebrafisch hingegen bewirkt eine Verletzung des Gehirns, anders als bei Säugetieren, die vermehrte Bildung neuer Neurone durch ventrikuläre Ependymzellen im Telencephalon, welche an den Ort der Verletzung rekrutiert werden. Ein Schlüsselmechanismus bei der Regulation von Differenzierung und Proliferation der neuronalen Vorläuferzellen im Zebrafisch ist der Aryl-Hydrocarbon-Rezeptor(AhR)-Signalweg. In anderen Organsystemen wie dem hämatopoetischen System kontrolliert der AhR-Signalweg ebenfalls essentielle biologische Funktionen einschließlich der Erhaltung, Proliferation und Differenzierung von Stammzellen. Auch reaktive Astrozyten, wichtige Mediatoren der reaktiven Gliose, weisen einige Merkmale neuronaler Stammzellen auf. Diese Arbeit widmet sich daher der Frage, ob der AhR-Signalweg auch in der reaktiven Gliose eine Rolle spielt und inwiefern die Aktivierung des AhR im Mausmodell die Reaktion auf Verletzungen des zerebralen Kortex beeinflusst. Hierzu untersuchte ich zunächst immunhistochemisch das Expressionsmuster des AhR im intakten und im verletzten Gehirn der Maus und analysierte die Effekte der AhR-Aktivierung im verletzten Großhirnkortex auf zellulärer und molekularer Ebene. Die systemische Gabe von Bromodeoxyuridin (BrdU), welches sich in neu synthetisierte DNA einlagert, erlaubte dabei die Bestimmung der Proliferationsraten einzelner Gliazellen in vivo und mit dem Neurosphären-Assay konnten die wichtigsten Stammzelleigenschaften in vitro erhoben werden: Proliferation, Selbsterneuerung und Multipotenz. Ergänzend wurde eine Proteomanalyse durchgeführt. Im intakten Gehirn konnte der AhR lediglich im Gyrus dentatus des Hippocampus, einer Region mit bekannt hoher neurogener Aktivität, nachgewiesen werden. Nach Verletzung des Kortex exprimieren jedoch auch benachbarte Astrozyten den AhR und die Aktivierung des AhR änderte die Proliferationsrate reaktiver Astrozyten in vivo signifikant. Zudem förderte die orale Gabe eines AhR-Agonisten die Ausbildung von Stammzelleigenschaften reaktiver Astrozyten in vitro: Zellen, die aus der verletzten Kortexregion isoliert wurden, bildeten vermehrt Neurosphären ohne Einbußen ihres neurogenen Potentials und der Fähigkeit zur Selbsterneuerung. In Gehirnregionen ohne AhR-Expression änderte sich die Anzahl der Neurosphären nach Gabe eines AhR-Agonisten hingegen nicht. Proteomanalysen unterstützten die Beobachtungen in vivo und lieferten wichtige Hinweise zu den Mechanismen, mit denen der AhR-Signalweg Änderungen der Proliferation und des Stammzellpotentials reaktiver Astrozyten induziert. Die im Rahmen dieser Arbeit erhobenen Daten legen den AhR-Signalweg als modulierenden Faktor der reaktiven Gliose und möglichen Schlüsselmechanismus in der Vermittlung von Stammzelleigenschaften reaktiver Astrozyten nahe. Dies macht den AhR zu einem vielversprechenden Ansatzpunkt bei der Suche nach neuen therapeutischen Strategien für alle neurologischen Erkrankungen, die mit einem Verlust von Neuronen assoziiert sind. Deshalb sollte der AhR auch zukünftig Gegenstand der Forschung auf diesem Gebiet sein