German Title: p53 und p73 in der Neurogenese des adulten Zebrafisches Danio rerio

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Abstract

Compared to the adult mammalian brain, the brain of the adult zebrafish Danio rerio exhibits a very high proliferative and regenerative potential. The adult mammalian brain in contrast has a very limited neurogenic capacity mainly restricted to two zones, the subventricular zone of the lateral telencephalic ventricles and the subgranular zone of the dentate gyrus of the hippocampus. In contrast, the zebrafish brain harbours 16 proliferation zones distributed all over the brain. The zebrafish has thus become a model for the study of adult neurogenesis and regeneration of nervous tissue. I characterized the expression of the two transcription factors p53 and p73 in the adult zebrafish brain. Both p53 and p73 were shown to play crucial roles in mammalian adult neurogenesis: p53 suppresses the self-renewal of adult neural stem cells and is involved in apoptotic death of neurons following damage. p73 is relevant for the survival of neurons, self-renewal and maintenance of neural stem cells as well as differentiation of precursor cells. It was thus of interest whether these genes have similar roles in the adult zebrafish brain. I established a detailed map of the expression pattern of p53 and p73 mRNA and p53 protein in the adult zebrafish brain. p53 and p73 mRNA expression overlaps in many regions including neurogenic zones. The p53 protein is expressed in most of these regions indicating that the mRNA expression reflects the protein expression. The p53 protein is expressed in mature neurons, Type I cells (non-dividing radial glial cells) and Type IIIa and Type IIIb cells (neuroblasts) in the adult zebrafish telencephalon. In cells of the oligodendrocyte lineage and in Type II cells (dividing radial glial cells) an expression of the p53 protein is not detectable. After stab injury of the adult zebrafish telencephalon both p53 and p73 genes are up-regulated. p53 is up-regulated in Type I cells. In contrast to the uninjured brain, p53 is expressed in cells of the oligodendrocyte lineage following injury. Furthermore, target genes of p53 are up-regulated and apoptosis is induced after stab injury. These results suggest a role for p53 in constitutive and regenerative neurogenesis. However, tp53M214K mutant zebrafish do not show any phenotype. The structurally related p73 is expressed in a very similar pattern as p53 in the uninjured and injured zebrafish brain. Therefore, redundancy between p53 and p73 may occlude the manifestation of a phenotype in the p53 mutant. Taken together, the analysis of expression of both p53 and p73 in the adult zebrafish brain suggests a role of these genes during constitutive and regenerative neurogenesis. The future elucidation of the precise function of the two genes in these processes requires, however, double mutant analysis.

Translation of abstract (German)

Im Gegensatz zum Gehirn von adulten Säugetieren weißt das Gehirn des adulten Zebrabärblings Danio rerio eine sehr hohe Möglichkeit zur Proliferation und Regeneration auf. Das Gehirn von adulten Säugetieren hat im Gegensatz dazu eine sehr eingeschränkte Fähigkeit zur Neurogenese, welche hauptsächlich auf zwei Zonen beschränkt ist, die subventrikuläre Zone der lateralen Ventrikel des Telencephalons und die subgranuläre Zone des Gyrus dentatus des Hippocampus. Das Gehirn des Zebrabärblings besitzt indessen 16 proliferative Zonen, welche über das gesamte Gehirn verteilt sind. Der Zebrabärbling wurde deshalb zu einem Modell für die Untersuchung der adulten Neurogenese und Regeneration von Nervengewebe. Ich habe die Expression der beiden Transkriptionsfaktoren p53 und p73 im Gehirn von adulten Zebrabärblingen charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass sowohl p53 als auch p73 wichtige Rollen in der adulten Neurogenese von Säugetieren spielen: p53 hemmt die Selbsterneuerung von adulten neuralen Stammzellen und ist am apoptotischen Zelltod von Neuronen nach einer Schädigung beteiligt. p73 ist wichtig für das Überleben von Neuronen, Selbsterneuerung und Erhaltung von neuralen Stammzellen und ebenso für die Differenzierung von Vorläuferzellen. Deshalb war es von Interesse, ob diese Gene ähnliche Rollen im Gehirn von adulten Zebrabärblingen besitzen. Ich entwickelte eine detaillierte Karte von den Expressionsmustern von p53 und p73 mRNA und p53 Protein im adulten Gehirn von Zebrabärblingen. Die Expression von p53 und p73 mRNA überschneidet sich in vielen Bereichen inklusive neurogener Zonen. Das p53 Protein ist in den meisten dieser Bereiche exprimiert, was darauf hindeutet, dass die mRNA Expression die Expression des Proteins widerspiegelt. Das p53 Protein wird im Telencephalon von adulten Zebrabärblingen in reifen Neuronen, Typ I Zellen (sich nicht teilende radiale Gliazellen) und Typ IIIa und Typ IIIb Zellen (Neuroblasten) exprimiert. Eine Expression des p53 Proteins ist nicht erkennbar in Zellen die von Oligodendrozyten abstammen und in Typ II Zellen (sich teilende radiale Gliazellen). Nach einer Stichverletzung des Telencephalons von adulten Zebrabärblingen ist sowohl das p53 als auch das p73 Gen hochreguliert. p53 ist in Typ I Zellen hochreguliert. Im Gegensatz zu einem unverletzten Gehirn ist p53 nach einer Stichverletzung in Zellen die von Oligodendrozyten abstammen exprimiert. Des Weiteren sind nach einer Stichverletzung Zielgene von p53 hochreguliert und Apoptose wird induziert. Diese Ergebnisse weißen darauf hin, dass p53 eine Rolle in der konstitutiven und regenerativen Neurogenese spielen könnte. Allerdings weißen Zebrabärblinge mit einer tp53M214K Mutation keinen Phänotyp auf. Das strukturell verwandte p73 zeigt ein ähnliches Expressionsmuster als p53 im unverletzten und verletzten Gehirn von Zebrabärblingen. Daher könnte eine Redundanz zwischen p53 und p73 eine Manifestation des Phänotyps in der p53 Mutante verdecken. Zusammengefasst, die Analyse der Expression von sowohl p53 als auch p73 im Gehirn des adulten Zebrabärblings deutet auf eine Rolle dieser Gene während der konstitutiven und regenerativen Neurogenese hin. Die künftige Aufklärung der genauen Funktion dieser beiden Gene bei diesen Vorgängen benötigt jedoch die Analyse von doppelten Mutanten.