English Title: Role of a microtubule-associated protein 1B (MAP1B) during axonal navigation in the embryonal retina

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Abstract

Mikrotubuli-assoziierte Proteine (MAPs) modulieren die Stabilität und Dynamik von Mikrotubuli. Indem sie das Wachstum der Mikrotubuli regulieren, die den Hauptanteil des axonalen Zytoskeletts ausmachen, spielen MAPs eine entscheidende Rolle für die Elongation und Navigation von Axonen. Eines der fünf klassischen MAPs (MAP1–4 und Tau) ist MAP1B, ein axonales MAP, das als Erstes während der Embryonalentwicklung auftritt. In dieser Arbeit wurde die Rolle von MAP1B bei der Wegfindung von Axonen der retinalen Ganglienzellen (RGZ) in der sich entwickelnden Retina untersucht. Hierzu wurden Retinae von Mausembryonen, die kein MAP1B besitzen (Knockout), in der Phase des maximalen RGZ-Axonwachstums (E14,5) untersucht. Die k.o.-Neuroretina ist im Zentralbereich (um den Sehnervkopf herum) dünner als im Wildtyp. Dies ist jedoch nicht auf eine Reduktion der RGZ-Axone zurückzuführen, sondern auf eine Verminderung der Neuroepithelialzellschicht. RGZ-Axone zeigen auf ihrem Weg zum Sehnerv, auf dem sie sich zunehmend bündeln, in der k.o.-Retina ein abnormales Navigationsverhalten: Einzelne RGZ-Axone und dünne Axonbündel lösen sich häufiger aus ihren Faszikeln, wodurch die Anzahl dünner Faszikel erhöht ist. In vitro Experimente unter genauer definierten Bedingungen und an einzelnen RGZ-Axonen offenbarten, dass zwei Verhaltensweisen im k.o. häufiger auftraten: starke Seitwärtsbewegungen der Axonspitzen und starke Lateralexploration des Wachstumskegels an der Axonspitze. Sowohl in vivo als auch in vitro Befunde weisen also darauf hin, dass bei Fehlen von MAP1B die Feinregulation der Steuerungsbewegungen der Axone reduziert ist, was zu dem beobachteten Abwandern aus den Bündeln führen könnte. Dies bewirkt insbesondere am Sehnervkopf, wo die RGZ-Axone ein Abbiegemanöver durchführen, dramatische Fehlnavigationen im k.o.: Die Axone tauchen zwar in den Sehnervkopf ein, wachsen dann jedoch in die gegenüberliegende Neuroretina. Sie wachsen dabei nicht antiparallel entlang der RGZ-Axone, sondern in einer tieferen Neuroretinaschicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen zum ersten Mal eine wichtige Rolle von MAP1B bei der Moderierung des Wachstumskegelverhaltens sowie der Weg- und Zielfindung navigierender Axone.

Translation of abstract (English)

Microtubule-associated proteins (MAPs) modulate the stability and dynamics of microtubules. By regulating microtubules, the main component of the axonal cytoskeleton, MAPs play a crucial role for the elongation and navigation of axons. One of the five classical MAPs (MAP1–4 and Tau) is MAP1B, an axonal MAP which is the first to appear during embryonic development. In this thesis project, the role of MAP1B in path finding of retinal ganglion cell (RGC) axons was investigated in the developing retina. For this, the retinae of mouse embryos lacking MAP1B (knockout) were examined in the phase of maximal RGC axon growth (E14.5): The k.o. retina in the central region (around the optic nerve head) is thinner than the wild type retina which is, however, not due to a reduction in RGC axons but to a decrease of the epithelial cell layer. RGC axons exhibit on their way to the optic nerve, where they progressively fasciculate, an abnormal navigation behaviour in k.o. retinae: Single RGC axons and thin axon fascicles separate from their bundles more often, thereby increasing the number of thin fascicles. In vitro experiments under more defined conditions and observation of single RGC axons revealed that two types of behaviour were more frequent under k.o. conditions: strong side-movements of the axon tips and strong lateral exploration of the growth cone at the axon tip. These in vivo and in vitro findings indicate that lack of MAP1B reduces the fine regulation of axonal steering movements which could lead to the observed straying from bundles. At the optic nerve head, where RGC axons perform a turning manoeuvre, this causes dramatic misrouting in the k.o. retina: The axons dive into the optic nerve head, however, then extend into the opposite side of the retina, not growing along the RGC axons in an anti-parallel fashion but in a deeper layer of the retina. The findings of this Ph.D. project demonstrate for the first time an important role of MAP1B in the moderation of growth cone behaviour as well as the path and target finding of navigating axons.