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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-348124
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 7 November 2017 |
| Referee: | Prof. Dr. Inga D. Neumann and Dr. Barbara Di Benedetto |
| Date of exam: | 4 November 2016 |
| Institutions: | UNSPECIFIED |
| Keywords: | Glia-neuron interaction, Epigenetic, depression |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 500 Natural sciences & mathematics 500 Science > 570 Life sciences 600 Technology > 610 Medical sciences Medicine |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 34812 |
Abstract (English)
Understanding the neurobiological underpinnings of major depressive disorder (MDD) is of utmost importance. Recently, it was shown in post-mortem tissue of MDD patients that the number of glia cells is reduced, accompanied by atrophy of neuronal cells and a decreased volume of the prefrontal cortex (PFC). Following the observation that morphological deficits are present in both cell-types, it is ...
Abstract (English)
Understanding the neurobiological underpinnings of major depressive disorder (MDD) is of utmost importance. Recently, it was shown in post-mortem tissue of MDD patients that the number of glia cells is reduced, accompanied by atrophy of neuronal cells and a decreased volume of the prefrontal cortex (PFC). Following the observation that morphological deficits are present in both cell-types, it is likely that a misregulation in the communication between glia and neuronal cells might be one of the key factors underlying the development of MDD. Furthermore, the coverage of blood vessels by astrocytic endfeet has been shown to be reduced in MDD, implicating a misregulation also at the level of the glia-vasculature interface. A well-established approach to understand these deficits is the investigation of the molecular responses of neuronal cells to antidepressants (AD) in a cell-type specific manner. ADs have been shown to influence astrocytes as well as neurons and have been implicated in the regulation of gene expression via modulation of epigenetic modifications, like posttranslational histonemodifications (PTM).
To understand these molecular changes, I first investigated the expression pattern of several PTMs (H3K4me3, H3K27me3 and H3K27ac) both, on global and cell-type specific levels before and after treatment with fluoxetine (FLX), one of the most commonly used ADs, in high anxiety-related behavior (HAB) rats, serving as a well-established model for comorbid depressive-like behavior. I focused on the PFC, hence this brain area is known to be highly involved in depression in humans and animal models, although not much is known about epigenetic modifications in this area. For examining deeper cell-type specific changes and responses to ADs, I used both in vitro and in vivo models. In the present study I demonstrated that under baseline conditions, HAB rats resumed not only the human loss of glia cells in the PFC, but they also showed a putatively upregulated gene expression indicated by a 2-3 fold increase of H3K4me3, an activating PTM. I further showed that increased activation of H3K4me3 was specific of astrocytes and was targeted by FLX treatment. I additionally demonstrated that H3K27me3, a repressive mark which is supposed to be a counteracting partner of H3K4me3, is downregulated in HAB animals. Moreover, it decreased even further after FLX treatment, whereas H3K27ac, a permissive mark, was also decreased in HAB animals, which suggested that it might be a target of FLX, but after long term treatment. Together these data indicate a unique code of epigenetic modification in HAB rats under baseline
conditions that presumably can be altered by AD treatment. In course of this study, I was further able to identify, for the first
time, an aberrantly high gene expression of ephrinA1, regulated by a high accumulation of H3K4me3 at its promoter, in HAB astrocytes as well as in the PFC of HAB rats, thus suggesting that this might represent a novel target of AD therapy in MDD. In view of the crucial role that the ephrin/Eph system plays at the glia-neuron interface to modulate synaptic transmission, its misregulation may very well lead to the development of depressive symptoms.
In addition, I identified GDF15, a neurotrophic factor, as a target of AD treatment in vitro and in vivo. My findings indicated that the ADs desipramine and FLX might induce increased expression of GDF15, leading to altered astrocytic morphology both in cell culture and around blood vessels of the PFC. An in-depth analysis revealed that FLX was specifically able to increase the sprouting of new processes as well as the elongation of preexisting ones, after a prolonged treatment in normal cells (derived from non-selectively bred animals, NAB), thereby also rescuing the morphology of the diseased HAB astrocytes, which showed a lack of processes with respect to NAB cells. These data corresponded to the in vivo findings in HAB rats, which show a reduced coverage of blood vessels with astrocytic processes. This deficit could be reversed by AD treatment. Moreover, I investigated the effects of exogenous GDF15 on astrocytic processes. Application of GDF15 was able to restore in HAB astrocytes both the number and length of processes in a dose- and time-dependent manner. Taken together, these data suggested that GDF15 might be involved in recovering a proper glia-vasculature interface that is needed for the proper exchanges of substances at the blood-brain-barrier.
Translation of the abstract (German)
Es ist äußert wichtig die neurobiologischen Grundlagen einer Depression zu verstehen. Erst kürzlich konnte in postmortalem Gewebe gezeigt werden, dass depressive Patienten eine geringere Anzahl an Gliazellen, neuronale Atrophie sowie ein vermindertes Volumen des präfrontalen Kortex aufweisen. Da morphologische Veränderungen in diesen beiden Zelltypen auftreten ist es sehr wahrscheinlich, dass ...
Translation of the abstract (German)
Es ist äußert wichtig die neurobiologischen Grundlagen einer Depression zu verstehen. Erst kürzlich konnte in postmortalem Gewebe gezeigt werden, dass depressive Patienten eine geringere Anzahl an Gliazellen, neuronale Atrophie sowie ein vermindertes Volumen des präfrontalen Kortex aufweisen. Da morphologische Veränderungen in diesen beiden Zelltypen auftreten ist es sehr wahrscheinlich, dass eine fehlerhafte Kommunikation zwischen Glia- und neuronalen Zellen eine Schlüsselrolle in der Entstehung einer Depression spielen könnte. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Blutgefäße in depressiven Patienten zu einem geringeren Ausmaße mit den Fortsätzen von Astrozyten bedeckt sind, was eine Deregulierung in diesem System bedeuten könnte. Ein gängiger Ansatz diese Defizite zu untersuchen, besteht darin die Reaktion dieser Systeme nach Behandlung mit Antidepressiva auf molekularer sowie zellspezifischer Ebene zu untersuchen. Antidepressiva können Astrozyten und Neurone beeinflussen und wurden bereits mit der Regulation von Genexpression mittels epigenetischer Modifikationen, wie beispielsweise posttranslationaler Histonmodifikationen (PTM) in Zusammenhang gebracht. Um diese molekularen Veränderungen zu verstehen, habe ich die Expressionsmuster verschiedener PTMs (H3K4me3, H3K27me3 und H3K27ac), vor und nach Behandlung mit Fluoxetin (FLX), auf globaler sowie zell-spezifischer Ebene untersucht. Als Tiermodell für diese Analyse habe ich high anxiety-related behavior (HAB) Ratten genutzt, die ein bereits gut etabliertes Tiermodel für Depression darstellen. Ich konzentrierte mich auf den präfrontalen Kortex, da diese Gehirnregion in der Pathophysiologie dieser Erkrankung sehr stark involviert ist, obwohl in diesem Areal bisher nur wenig über epigenetische Veränderungen bekannt ist. Um eine bessere Vergleichbarkeit zu erzielen, nutzte ich sowohl in vitro als auch in vivo Modelle. Mit der vorliegenden Studie konnte ich zeigen, dass HAB Ratten den humanen Phänotyp, welcher eine verringerten Anzahl an Glia Zellen aufweist, widerspiegeln, sowie dass diese Tiere eine vermeintlich gesteigerte Geneexpression haben, welche durch ein 2-3 fach höheres H3K4me3 Vorkommen angedeutet wird. Des Weiteren, konnte ich zeigen, dass die gesteigerte H3K4me3-Aktivität spezifisch in Astrozyten vorkommt und durch FLX Behandlung beeinflusst werden kann. Außerdem konnte ich zeigen, dass H3K27me3, eine repressive PTM, welche zudem vermutlich ein Gegenspieler von H3K4me3 ist, in HAB Ratten unter basalen Bedingungen herunterreguliert ist und durch eine längere FLX Behandlung sogar noch weiter reduziert wird. H3K27ac, eine aktivierende PTM, hingegen ist in HAB Ratten ebenfalls herunterreguliert und scheint durch eine längere FLX
Behandlung beeinflussbar zu sein. Zusammenfassend weisen meine Daten darauf hin, dass in HAB Ratten eine einzigartige Kombination dieser PTMs existiert, welche sehr wahrscheinlich durch Antidepressiva verändert werden kann. Im Zuge dieser Studie konnte ich ephrinA1, als ein Gen identifizieren, welches in HAB Astrozyten sowie im präfrontalem Kortex von HAB Ratten aufgrund eines gesteigertem H3K4me3 Vorkommens in dessen Promoter abnorm stark exprimiert wird. Diese Daten weisen darauf hin, dass ephrinA1 ein neues therapeutisches Ziel für die Behandlung einer Depression sein könnte. Eine Fehlregulation des Eph/ephrin Systems, welches maßgeblich an der synaptischen Übertragung zwischen Glia und neuronalen Zellen beteiligt ist, könnte zu den morphologischen Defiziten dieser Schnittstellen beitragen und letztendlich zu depressiven Symptomen führen.
Zudem konnte ich GDF15, einen neurotrophen Faktor, identifizieren, welcher durch Antidepressiva beeinflussbar ist. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Expression von GDF15 in Astrozyten durch die Gabe von Antidepressiva gesteigert werden kann, was zu einer morphologischen Veränderung dieser Zellen führt. Eine detaillierte Analyse hat gezeigt, dass FLX das Entstehen neuer, sowie die Verlängerung bereits bestehender Astrozyten-Fortsätze in „gesunden“ Zellen begünstigt. In HAB Zellen scheint FLX die aberrante Morphologie der Astrozyten so zu verändern, dass sie dem „gesunden“ Phänotyp gleichen. Diese Daten korrespondieren zu den in vivo Experimenten, in denen gezeigt wurde, dass eine verringerter Abdeckung der Blutgefäße mit Astrozyten-Fortsätzen in HAB Ratten durch FLX Behandlung verbessert werden kann. Weiterführend habe ich zudem die Effekte von exogen verabreichtem GDF15 untersucht. Die Behandlung von Astrozyten mit exogenem GDF15 führt dazu, dass neue Fortsätze entstehen und bestehende verlängert werden. Dieser Effekt scheint von der Dosis und der Behandlungsdauer abhängig zu sein. Aufgrund dieser Daten lässt sich spekulieren, dass GDF15 vermutlich daran beteiligt ist die funktionelle Schnittstelle zwischen Gliazellen und den Blutgefäßen wiederherzustellen, um damit einen angemessen Austausch von Substanzen zwischen dem Blutstrom und dem Hirnparenchym zu gewährleisten.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 15:39
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