Oligodendroglial exosomes in glia to neuron signaling

In the CNS, myelinating oligodendrocytes and axons form a functional unit based on intimate cell-cell interactions. In addition to axonal insulation serving to increase the conduction velocity of electrical impulses, oligodendrocytes provide trophic support to neurons essential for the long-term functional integrity of axons. The glial signals maintaining axonal functions are just at the beginning to become uncovered. Yet, their determination is highly relevant for all types of demyelinating diseases, where lack of glial support significantly contributes to pathology. rnThe present PhD thesis uncovers exosomes as a novel signaling entity in the CNS by which cargo can be transferred from oligodendrocytes to neurons. Exosomes are small membranous vesicles of endocytic origin, which are released by almost every cell type and have been implicated in intercellular communication. Oligodendrocytes secrete exosomes containing a distinct set of proteins as well as mRNA and microRNA. Intriguingly, oligodendroglial exosome release is stimulated by the neurotransmitter glutamate indicating that neuronal electrical activity controls glial exosome release. In this study, the role of exosomes in neuron-glia communication and their implications on glial support was examined. Cortical neurons internalized and accumulated oligodendroglial exosomes in the neuronal cell soma in a time-dependent manner. Moreover, uptake occurred likewise at the somatodendritic and axonal compartment of the neurons via dynamin and clathrin dependent endocytosis. Intriguingly, neuronal internalization of exosomes resulted in functional retrieval of exosomal cargo in vitro and in vivo upon stereotactic injection of Cre recombinase bearing exosomes. Functional recovery of Cre recombinase from transferred exosomes was indicated by acquired reporter recombination in the target cell. Electrophysiological analysis showed an increased firing rate in neurons exposed to oligodendroglial exosomes. Moreover, microarray analysis revealed differentially expressed genes after exosome treatment, indicating functional implications on neuronal gene expression and activity. rnTaken together, the results of this PhD thesis represent a proof of principle for exosome transmission from oligodendrocytes to neurons suggesting a new route of horizontal transfer in the CNS.rnOligodendrozyten ermöglichen durch ihre Interaktion mit Axonen nicht nur eine hohe Nervenleitgeschwindigkeit durch Ausbildung der Myelinscheide, sondern unterstützen Neurone auch mit trophischen Faktoren, die für die langandauernde Integrität der Axone unerlässlich sind. Da diese Faktoren bisher weitestgehend unbekannt sind, kann deren Erforschung zum grundlegenden Verständnis von Leukodystrophien beitragen, bei welchen es durch Fehlen des glialen Supportes zu einer neuronalen Pathologie kommt.rnDiese Dissertation zeigt, dass oligodendrogliale Exosomen als neuartige Signaleinheit im zentralen Nervensystem agieren und Moleküle von Oligodendrozyten zu Neuronen transportieren können. Exosomen sind kleine Membranvesikel endosomalen Ursprungs, welche von Zellen freigesetzt werden und an der interzellulären Kommunikation beteiligt sind. Oligodendrozyten sezernieren Exosomen, die spezifische mRNAs, miRNAs und Proteine enthalten. Interessanterweise wird die Exosomen-Freisetzung durch den Neurotransmitter Glutamat stimuliert, was darauf hindeutet, dass die Freisetzung von oligodendroglialen Exosomen durch die neuronale, elektrische Aktivität kontrolliert wird. In dieser Studie wurde sowohl die Rolle von Exosomen in der Neuron-Glia Kommunikation untersucht, als auch deren Beteiligung am glialen Support. Kortikale Neurone internalisieren und akkumulieren oligodendrogliale Exosomen im Zellsoma, wobei sie gleichermaßen am somatodendritischen wie am axonalen Kompartiment der Neurone über Dynamin und Clathrin abhängige Endozytose aufgenommen werden. Die Aufnahme resultiert sowohl in vitro als auch in vivo in der funktionellen Rückgewinnung der exosomalen Fracht. Dies konnte durch stereotaktische Injektion von Cre-Rekombinase enthaltenden Exosomen in Zerebellum und Hippokampus von Reporter-Mäusen gezeigt werden. Der funktionelle Transfer der Cre-Rekombinase in die Zielneuronen resultierte in der Expression des entsprechenden Reporter-Gens. Außerdem konnte durch elektrophysiologische Studien gezeigt werden, dass der Transfer von oligodendroglialen Exosomen die neuronale Feuerrate erhöht. Abschließend offenbarte eine Microarray Analyse der Zielneuronen eine veränderte Genexpression nach der Behandlung mit oligodendroglialen Exosomen. rnZusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass oligodendrogliale Exosomen einen neuen Mechanismus für den horizontalen Transfer von Molekülen zwischen Oligodendrozyten und Neuronen darstellen.r