German Title: Molekulare Mechanismen neuronaler struktureller Erhaltung und Plastizität

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Abstract

Dendrites receive and process synaptic inputs and thereby coordinate the connections and wiring between neurons which is essential for appropriate brain function. Dendritic structural plasticity is essential throughout development, however in adulthood, dendrites are stabilized and maintained to survive for years, if not throughout a neuron’s lifetime, to preserve optimal brain circuitry and cognitive function. Nevertheless, a degree of structural plasticity remains within mature neurons, allowing adaptation to diverse stimuli and experiences. Imbalances in the equilibrium between structural plasticity and stability, such as atrophy or maladaptive plasticity, have been implicated in various neurological disorders. Despite the significance of this delicate balance, the understanding of molecular and cellular mechanisms governing it remains limited. Vascular Endothelial Growth Factor D (VEGFD) is a crucial factor in preserving dendrite morphology of mature neurons. However, its participation in the context of structural plasticity remains uninvestigated. Moreover, its downstream signaling pathways and how they affect the neuronal cytoskeleton to preserve dendrites is unknown. This thesis shows that VEGFD expression is low in developing or adult neurons during activity-induced structural plasticity to allow morphological changes of dendrites. Employing time-lapse imaging coupled with machine-learning tracking of dendrites, I demonstrated that VEGFD achieves this by maintaining the existing morphological state of neurons, through limiting dendrite elongation and destabilizing newly formed dendrites. Furthermore, I characterized the functions of ezrin and c-Raf in dendrite morphology, two cytoskeleton-related proteins identified as potential downstream targets of VEGFD signaling through phospho-proteomic screening. Using both pharmacological and genetic tools, I demonstrated that VEGFD causes the dephosphorylation of ezrin at tyrosine 478 via activation of the striatal-enriched protein tyrosine phosphatase (STEP). Further, I showed through overexpression of a phospho-mutant ezrin that ezrin is a mediator of the VEGFD-induced preservation of dendrite structure during structural plasticity. Additionally, immunoprecipitation of VEGFD's receptor followed by mass spectrometry revealed the splicing regulator neuro-oncological ventral antigen 2 (nova2) as a potential candidate protein in VEGFD signaling, offering a new path for future research. Overall, this work identified the downstream molecular and cellular processes of VEGFD signaling in plasticity and proposes that VEGFD regulates the balance between neuronal structural maintenance and plasticity by suppressing morphological alterations in dendrites.

Translation of abstract (German)

Dendriten empfangen und verarbeiten synaptische Inputs und koordinieren so die Verbindungen und Vernetzungen zwischen Neuronen, die für eine angemessene Gehirnfunktion unerlässlich sind. Strukturelle Plastizität von Dendriten ist während der gesamten Entwicklung von wesentlicher Bedeutung. Im Erwachsenenalter werden die Dendriten jedoch stabilisiert und bleiben jahrelang, wenn nicht sogar ein ganzes Neuronenleben lang erhalten, um eine optimale Verschaltung des Gehirns und kognitive Funktionen zu gewährleisten. Dennoch bleibt in reifen Neuronen ein gewisses Maß an struktureller Plastizität erhalten, das die Anpassung an verschiedene Reize und Erfahrungen ermöglicht. Ein Ungleichgewicht zwischen struktureller Plastizität und Stabilität, wie Atrophie oder maladaptive Plastizität, wurde bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen festgestellt. Trotz der Bedeutung dieses empfindlichen Gleichgewichts ist das Verständnis der molekularen und zellulären Mechanismen, die es steuern, nach wie vor begrenzt. Der Vascular Endothelial Growth Factor D (VEGFD) ist ein entscheidender Faktor für die Erhaltung der Dendritenmorphologie reifer Neuronen. Seine Beteiligung an der strukturellen Plastizität ist jedoch noch nicht erforscht. Darüber hinaus sind seine nachgeschalteten Signalwege und wie diese das neuronale Zytoskelett zur Erhaltung der Dendriten beeinflussen, unbekannt. Diese Dissertation zeigt, dass Expression von VEGFD in sich entwickelnden oder, im Rahmen aktivitätsinduzierter struktureller Plastizität, in erwachsenen Neuronen gering ist, um morphologische Veränderungen von Dendriten zu ermöglichen. Mit Hilfe von Zeitraffer-Aufnahmen in Verbindung mit maschinellem Lernen zum Tracken von Dendriten habe ich gezeigt, dass VEGFD dies durch die Aufrechterhaltung des bestehenden morphologischen Zustands von Neuronen erreicht, indem es die Dendritenverlängerung begrenzt und neu gebildete Dendriten destabilisiert. Darüber hinaus habe ich die Funktionen von ezrin und c-Raf in der Dendritenmorphologie charakterisiert, zwei Proteine, die mit dem Zytoskelett in Verbindung stehen und durch phospho-proteomisches Screening als potenzielle nachgeschaltete Ziele des VEGFD Signals identifiziert wurden. Mit Hilfe pharmakologischer und genetischer Methoden konnte ich zeigen, dass VEGFD die Dephosphorylierung von ezrin an Tyrosin 478 durch Aktivierung der striatal-enriched protein tyrosine phosphatase (STEP) bewirkt. Außerdem konnte ich durch Überexpression einer Phospho-Mutante von ezrin zeigen, dass ezrin ein Vermittler der VEGFD-induzierten Erhaltung der Dendritenstruktur bei struktureller Plastizität ist. Darüber hinaus wurde durch Immunpräzipitation des VEGFD-Rezeptors und anschließende Massenspektrometrie der Spleißregulator neuro-oncological ventral antigen 2 (nova2) als potenzielles Kandidatenprotein für die VEGFD-Signalübertragung identifiziert, was einen neuen Weg für zukünftige Forschungen eröffnet. Insgesamt wurden in dieser Arbeit die nachgelagerten molekularen und zellulären Prozesse des VEGFD Signalweges bei Plastizität identifiziert und es wird vorgeschlagen, dass VEGFD das Gleichgewicht zwischen neuronaler Strukturerhaltung und Plastizität reguliert, indem es morphologische Veränderungen in Dendriten unterdrückt.