German Title: Apikale Neurale Stammzellen und der Effekt von Wachstums-/Differenzierungsfaktor 15 (GDF15) auf deren primäre Zilien und Proliferation

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Abstract

The ventricular-subventricular zone (V-SVZ) is one of the two main neurogenic niches in the mouse brain that maintains neurogenesis throughout adulthood. However, a closer characterisation of the different subtypes of the neural stem cells (NSCs) residing there, their contribution to neurogenesis and the specifics of their regulation is yet to be performed. In the first part of this thesis, using a mouse model to genetically tag NSCs, I could show the presence of apical and basal NSCs in the adult V-SVZ. The two groups of NSCs differ in terms of Nestin expression and presence of primary cilia, which are predominantly observed in apical NSCs. Moreover, in a collaborative effort, I determined that although they also are capable of quiescence, cycling basal NSCs divide more rapidly than the apical counterpart and contribute the most to olfactory bulb neurogenesis in the adult mouse. In the second part of this thesis, I investigated the effect of growth/differentiation factor 15 (GDF15) on NSCs in the V-SVZ. Here, I found for the first time that its only recently discovered receptor GDNF-family receptor alpha-like (GFRAL) is expressed in NSCs in the E18 lateral ganglionic eminence (GE) and adult V-SVZ, as well as in primary cilia. Using immunofluorescence on homozygous Gdf15 knock-out / LacZ knock-in (Gdf15-/-) mice, I found that ablation of GDF15 increased proliferation and cell cycle speed especially at the apical side of the niche, and that apical cells carried shorter primary cilia, a phenotype that could be rescued by application of exogenous GDF15 protein for 24 h. To determine the mechanisms behind these changes, I first analysed epidermal growth factor (EGF) receptor (EGFR) signalling. In the mutant germinal niche, surface EGFR protein levels were lower and EGFR signalling dynamics were altered. Although exposure to GDF15 rescued EGFR surface expression, manipulation of EGFR signalling did not rescue the defect in proliferation. Instead, I found that ciliary length regulators adenylate cyclase 3 and histone deacetylase 6 were overexpressed in the mutant mice, and that their inhibition using pharmacological blockers led to a rescue of both ciliary morphology and proliferation similar to GDF15 application. Lastly, I found that sonic hedgehog signalling, a vital ciliary signalling pathway during development, was impaired but still responsive in Gdf15-/- mice, suggesting an impact of the altered ciliary morphology on organelle signalling. All in all, in this thesis I show that apical NSCs represent a smaller subgroup of NSCs in the V-SVZ and I describe for the first time the effect of GDF15 on the development of the apical region of the V-SVZ. This effect encompasses cilia morphology and proliferation of apical progenitors affecting the generation of apical NSCs and ependymal cells in the V-SVZ.

Translation of abstract (German)

Die ventrikulär-subventrikuläre Zone (V-SVZ) ist eine der beiden wichtigsten neurogenen Nischen im Gehirn der Maus, die die Neurogenese während des gesamten Erwachsenenalters aufrechterhalten. Eine genauere Charakterisierung der verschiedenen Subtypen der dort ansässigen neuralen Stammzellen (NSCs), ihres Beitrags zur Neurogenese und der Besonderheiten ihrer Regulation steht jedoch noch aus. Im ersten Teil dieser Arbeit konnte ich mithilfe eines Mausmodells zur genetischen Markierung von NSCs das Vorhandensein von apikalen und basalen NSCs in der adulten V-SVZ nachweisen. Die beiden Gruppen von NSCs unterscheiden sich in Bezug auf die Expression von Nestin und das Vorhandensein von primären Zilien, die vor allem bei apikalen NSCs zu beobachten sind. Darüber hinaus habe ich, in Kollaboration, festgestellt, dass sich die basalen NSCs, die sich im Zellzyklus befinden, schneller teilen als die apikalen NSCs und am meisten zur Neurogenese des Riechkolbens in der erwachsenen Maus beitragen, obwohl sie auch zur Ruhephase fähig sind. Im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchte ich die Wirkung von Growth/differentiation factor 15 (GDF15) auf die NSCs in der V-SVZ. Dabei habe ich erstmalig herausgefunden, dass sein erst kürzlich entdeckter Rezeptor GDNF-family receptor alpha-like (GFRAL) in NSCs in der E18 ganglionären Eminenz (GE) und der adulten V-SVZ sowie in primären Zilien exprimiert wird. Mit Hilfe der Immunfluoreszenz an homozygoten Gdf15-Knock-out/LacZ-Knock-in-Mäusen (Gdf15-/-) konnte ich feststellen, dass die Ablation von GDF15 die Proliferation und die Geschwindigkeit des Zellzyklus vor allem an der apikalen Seite der Nische erhöhte und dass apikale Zellen kürzere primäre Zilien trugen, ein Phänotyp, der durch die Verabreichung von exogenem GDF15-Protein für 24 Stunden gerettet werden konnte. Um die Mechanismen hinter diesen Veränderungen zu bestimmen, analysierte ich zunächst die Signalübertragung durch den epidermalen Wachstumsfaktor (EGF) Rezeptor (EGFR). In der Keimnische der genveränderten Mäuse war die Menge an EGFR-Protein an der Zelloberfläche geringer und die EGFR-Signaldynamik war verändert. Obwohl die EGFR-Oberflächenexpression durch Applikation von GDF15 wiederhergestellt werden konnte, führte die Beeinflussung der EGFR-Signalübertragung nicht zu einer Verbesserung der Proliferationsstörung. Stattdessen stellte ich fest, dass Adenylatzyklase 3 und Histondeacetylase 6, bekannte Regulatoren der Länge von Zilien, in den mutierten Mäusen überexprimiert waren und dass ihre Hemmung durch pharmakologische Blocker, ähnlich wie GDF15-Applikation, zu einer Wiederherstellung sowohl der ziliären Morphologie als auch der Proliferation führte. Schließlich fand ich heraus, dass der Sonic-Hedgehog-Signalweg, ein wichtiger ziliärer Signalweg während der Entwicklung, in Gdf15-/--Mäusen zwar beeinträchtigt, aber immer noch aktivierbar war, was auf eine Auswirkung der veränderten ziliären Morphologie auf die Signalweiterleitung in der Organelle hindeutet. Insgesamt zeige ich in dieser Arbeit, dass apikale NSCs eine kleinere Untergruppe der NSCs in der V-SVZ darstellen, und ich beschreibe zum ersten Mal die Wirkung von GDF15 auf die Entwicklung der apikalen Region der V-SVZ. Dieser Effekt umfasst die Zilienmorphologie und die Proliferation apikaler Vorläuferzellen, die die Bildung apikaler NSCs und ependymaler Zellen in der V-SVZ beeinflussen.