Actin Binding Proteins in the Regulation of the Astrocytic Cytoskeleton

Schweinhuber, Stefanie Katharina

Neuronen und Gliazellen repräsentieren die beiden Hauptzellpopulationen im Gehirn. Netzwerke bestehend aus untereinander verbundenen Astrozyten und Neuronen sind während Lern- und Gedächtnisprozessen einem kontinuierlichen Wandel unterworfen. Die Morphologie von Astrozytenfortsätzen bestimmt hierbei die räumliche Assoziation mit Neuronen. Für die dynamischen Veränderungen dieser Fortsätze ist das Mikrofilamentsystem verantwortlich. Die vorliegende Arbeit ist auf die Analyse der zugrundeliegenden molekularen Mechanismen fokussiert. Kultivierte Astrozyten exprimieren neben dem ubiquitären Profilin 1 (PFN1) auch die neuronale Isoform PFN2a. Eine Isoform-spezifische RNA Interferenz-induzierte Hemmung der Expression von PFN1 und PFN2a führte zur Identifikation beider Profiline als Modulatoren der Zellgröße und Adhäsion. Zusätzlich sind beide Isoformen essentiell für die Forskolin-induzierte Stellation und die Motilität von Astrozytenfortsätzen. Morphologischer Plastizität, induziert durch die Applikation eines ROCK Inhibitors war lediglich PFN2a abhängig. Darüber hinaus moduliert ausschließlich PFN2a die Komplexität von Astrozyten. Für PFN1 konnte eine exklusive Rolle in der Regulation der Aktin Dynamik in Astrozytenfortsätzen nachgewiesen werden. Somit sind Profiline wichtige Modulatoren der Morphologie und Motilität von Astrozyten. Da das Aktin-bindende Protein Cortactin (CTTN) in der interzellulären Kommunikation von Astrozyten impliziert wurde, untersuchte ich dessen zelluläre Funktion. CTTN defiziente kultivierte Astrozyten wiesen Beeinträchtigungen der Proliferation, der Aktindynamik und im Migrationsverhalten auf. Zusätzlich bewirkte der Verlust von CTTN eine Connexin 43 abhängige Reduktion der Interkonnektivität von Astrozytennetzwerken. Zusammengefasst eröffnet diese Arbeit neue Einsichten in die Regulation der Morphologie, Motilität und Interkonnektivität von Astrozyten durch die Aktin-bindenden Proteine PFN1, PFN2a und CTTN.

Neurons and glial cells represent the main cell populations in the brain. Networks consisting of interconnected neurons and astrocytes change and adapt continuously during learning and memory processes. The morphology of astrocytic processes depends on the actin cytoskeleton and determines the close structural association with neurons. This thesis focusses on the underlying mechanisms of astrocytic morphological plasticity. I demonstrate that cultured murine astrocytes express the ubiquitous profilin 1 (PFN1) and the neuronal isoform PFN2a. I showed that the knockdown of PFN1 or PFN2a led to a decrease in cell adhesion and cell size. Both isoforms were crucial for forskolin-induced astrocytic stellation and motility of astrocytic processes while the ROCK inhibition-induced stellation response solely relied on PFN2a. Only the downregulation of PFN2a resulted in a reduced complexity of astrocytes in both slice cultures and dissociated cultures. FRAP analysis revealed that solely the knockdown of PFN1 impaired actin dynamics in astrocytic processes. Thus, profilin isoforms are important for astrocytic morphology and motility. Since also the actin binding protein cortactin (CTTN) was shown to be crucial for intercellular communication, I analyzed the cellular function of CTTN in astrocytes. Primary astrocytic cultures derived from cttn-/- animals revealed impaired actin dynamics, a reduced proliferation rate and an altered migration behavior compared to wild type astrocytes. By calcium imaging, the interplay of the gap junction protein connexin43 and CTTN was analyzed. Here, cttn-/- cultures exhibit a reduced interconnectivity pointing to CTTN as a modulator of the actin cytoskeleton and the intercellular communication in astrocytes. Collectively, this study provides new insights into the regulation of astrocytic morphology, motility and interconnectivity by the actin binding proteins PFN1, PFN2a and CTTN.

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Schweinhuber, Stefanie Katharina: Actin Binding Proteins in the Regulation of the Astrocytic Cytoskeleton. 2014.

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