Integration of ES cell-derived neurons into pre-existing neuronal circuits

Neuser, Stephani Franziska

In the dentate gyrus (DG) of the hippocampus neurogenesis continues during adult life, implying that newly generated neurons integrate into a pre-existing circuit. In the present study, I asked whether neuronal precursors derived from murine embryonic stem cells (ESNPs) are capable of integrating into the hippocampal circuitry. Embryonic stem (ES) cells carrying a tauEGFP transgene were pre-differentiated into precursors of cortical neurons, and transplanted into the subfields of organotypic hippocampal slice cultures. While a high percentage of ES cell-derived neurons (ESNs) showed immature morphology, some ESNs specifically adopted the shape of CA1 and CA3 pyramidal subtypes and DG granule neurons, respectively, showing a region-specific morphological integration into the host circuitry. A fraction of ESNs carried postsynaptic spines co-localizing with presynaptic markers, indicating that they receive excitatory synaptic input. Neurotrophins and their receptors have been suggested to be involved in neurogenesis, neuronal survival and activity-dependent plasticity. To find out whether the p75 neurotrophin receptor (p75NTR) plays a cell-autonomous role during maturation and integration of an ESNP into the hippocampal network, homozygous p75NTR knockout ESNPs were transplanted. Comparable to wild type ESNs, a fraction of p75NTR-/- ESNs developed a structure and orientation typical of intrinsic neurons. However, a significantly higher dendritic complexity was observed in the CA3 region and the DG, which is in line with previous reports showing that p75NTR negatively modulates dendritic complexity. Interestingly, the morphologically immature fraction of p75NTR-/- ESNs showed the opposite phenotype. P75NTR might therefore have a stabilizing effect on the dendrites of developing neurons. Conclusively, the presented method can be used as a model system to examine other ES cell lines carrying mutations relevant in the context of neuronal maturation and plasticity.

Im Gyrus Dentatus (DG) des Hippokampus hält die Neurogenese auch im adulten Organismus an, was bedeutet, dass sich neu gebildete Neurone in bereits existierende Netzwerke integrieren. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob aus embryonalen Maus-Stammzellen (ES-Zellen) generierte neuronale Vorläufer (ESNPs) sich in das hippokampale Netzwerk integrieren. TauEGFP-transgene ES-Zellen wurden in Vorläufer von kortikalen Neuronen differenziert und in hippokampale Schnittkulturen transplantiert. Während ein hoher Prozentsatz der aus ES-Zellen gebildeten Neurone (ESNs) eine unreife Morphologie aufwies, nahmen einige ESNs spezifisch die Form von CA1- und CA3-Pyramidenneuronen sowie DG-Körnerzellen an, was auf eine Regions-spezifische morphologische Integration in das Wirts-Netzwerk hindeutet. Ein Teil der ESNs trug postsynaptische Spines, die mit prä-synaptischen Markern ko-lokalisierten. Dies zeigt, dass sie exzitatorischen synaptischen Input empfangen. Es ist bekannt, dass Neurotrophine und ihre Rezeptoren an Neurogenese, neuronalem Überleben und aktivitätsabhängiger Plastizität beteiligt sind. Um herauszufinden, ob der p75-Neurotrophin-Rezeptor (p75NTR) eine zellautonome Rolle während der Reifung und Integration eines ESNPs spielt, wurden homozygote p75NTR-Knockout-ESNPs transplantiert. Wie beim Wildtyp nahm ein Teil der p75NTR-/--ESNs die typische Struktur und Ausrichtung von intrinsischen Neuronen an. In der CA3-Region und im DG wurde jedoch eine signifikant höhere dendritische Komplexität festgestellt, die mit vorherigen Studien in Einklang steht. Der morphologisch unreife Teil der p75NTR-/--ESNs zeigte allerdings den entgegengesetzten Phänotyp. P75NTR könnte daher einen stabilisierenden Effekt auf die Dendriten heranreifender Neurone ausüben. Schlussfolgernd kann die vorgestellte Methode als Modellsystem zur Untersuchung anderer ES-Zelllinien verwendet werden, die mit neuronaler Reifung und Plastizität in Zusammenhang stehende Mutationen tragen.

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Neuser, Stephani Franziska: Integration of ES cell-derived neurons into pre-existing neuronal circuits. 2010.

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