Dokument: Redox-dependent decrease of neurogenesis in the aging brain - Contribution of Sirt1

Titel:	Redox-dependent decrease of neurogenesis in the aging brain - Contribution of Sirt1
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=33454
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150227-103418-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Koop, Barbara [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,97 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 23.02.2015 / geändert 23.02.2015
Beitragende:	Professor Aktas, Orhan [Betreuer/Doktorvater] Professor Aktas, Orhan [Gutachter] Prof. Dr. Willbold, Dieter [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Hintergrund Die immer besser werdende medizinische Versorgung des Menschen bedingt eine höhere Lebenserwartung, wodurch die Bekämpfung altersbedingter kognitiver Defizite immer wichtiger wird. Grund dieser Defizite ist zu einem Großteil die replikative Seneszenz, die eine verringerte Neurogenese im adulten Gehirn hervorruft. Der Hippocampus als essenzielle Struktur für Lernen und Erinnerungsvermögen ist davon besonders betroffen. Während des Alterns steigt der oxidative Stress in verschiedensten Geweben, unter anderem auch im Gehirn, an. Zusammen mit anderen zellschädigenden Einflüssen schädigt er die DNA. Die NAD+-abhängige Histondeacetylase Sirt1, mitochondrielles Sirt3 und der Transkriptionsfaktor Nrf2 sind Bestandteile der Maschinerie zur Bekampfung des oxidativen Stresses. Eine neuroprotektive Funktion von Sirt1 ist bereits bekannt, unklar ist jedoch, welche Rolle Sirt1, Nrf2 und Sirt3 bei der adulten Neuro-genese spielen und ob sie die Neurogenese im adulten Gehirn sogar erhöhen könnten. Die vorliegende Arbeit soll also die Funktionen von Sirt1, Nrf2 und Sirt3 im Prozess der adulten Neurogenese aufklären. Methoden Um die Effekte von Sirt1 / Sirt3 / Nrf2 auf die Neurogenese und den Zellzyklus zu untersuchen, wurden Immunohisto-/ -zytochemische Analysen von Hirnschnitten / NPC Kultuen sowie Gen- und Proteinexpressionsanalysen (PCR, Western Blot) durchgefüht, Die Ergebnisse wurde mit denen von Wildtyp (wt)-Tieren / Zellkulturen verglichen. Der Prozess der Neurogenese gliedert sich in Proliferation, Differenzierung und Erhalt der Stammzelleigenschaften der neuronalen Vorläuferzellen (NPCs). Zur Untersuchung der Proliferation, wurden sowohl BrdU-Analysen (in vitro und in vivo) und immunohistochemische Färbungen von Proliferationsmarkern wie H3Ser10, als auch Messungen der Kapazität von NPCs, Neurospären zu bilden (in vitro), herangezogen. Zur Analyse der Differenzierung von NPCs wurden Sox2+ Stammzellen, Olig2+ bzw. NG2+ Oligodendroztenvorläuferzellen und DCX+ neuronalen Vorläuferzellen in vitro sowie in vivo quantifiziert. Der Erhalt der Stammzelleigenschaften bzw. beginnender Verlust selbiger durch zelluläre Seneszenz wurde mit Hilfe von Messungen der Induktion von Genen untersucht, die relevant für den Zellzyklus bzw die Inhibierung des Zellzyklus sind. Zusätzlich wurden immunozytochemische Färbungen von Markern für DNA Reparaturmechanismen ausgewertet. Ergebnisse In wt-Tieren nimmt die Neurogenese während des Alterns ab, was einhergeht mit einer erhöhten Genexpresionen von Sirtuinen, antioxidativen Enzymen und Zellzyklusinhibitoren. In adulten Mäusen wird Sirt1 in Stammzellen der hippokampalen subgranulären Zone (SGZ) exprimiert. Die Expression wird während des Alterns hochreguliert. In gealterten Mäusen führt systemischer sowie hirnspezifischer Verlust von funktionellem Sirt1 zu einer signifikanten Vergrößerung des subgranulären Stammzellpools. Bei Tieren, in denen Sirt1 durch gezielte in utero electroporation ausgeschaltet wurde, bleibt die migratorische Kapazität der reifenden Stammzellen unverändert. In vitro weisen NPCs in Langzeitkultur verminderte Porilferation, erhöhte Sirt1 Expression und Anzeichen von Alterung und replikativer Seneszenz auf. NPCs, die unfunktionelles Sirt1 exprimieren, zeigen im Vergleich dazu eine höhere Proliferationsrate, selbst in Langzeitkultur. Dieser Effekt korreliert positiv mit steigender Konzentration von unfunktionellem Sirt1. Im Gegensatz zu wt-NPCs stoppt die Proliferation von NPCs, die unfunktionelles Sirt1 exprimieren, bei Induktion von oxidativem Stress mit Hilfe von BSO oder metabolischem Stress durch Glucoseentzug nicht. Fazit Oxidativer Stress, der während des Alterns auftritt, beeinflusst die hippokampale Neurogenese. Im adulten Gehirn könnte die Hochregulation von Sirt1 während des Alterns eine Reaktion auf erhöhten oxidativen Stress sein. Generell könnte Sirt1 eine Rolle bei der Limitierung der Stammzellproliferation in der SGZ spielen. Dies zeigt sich auch in vitro, speziell in stressinduzierenden Kulturbedingungen und Langzeitkulturen. Sirt1 könnte ein wichtiger Faktor für die Kontrolle der mitotischen Aktivität von NPCs als Reaktion der Zelle auf metabolischen Stress sein. Aim Nowadays improvement of medical treatments results in higher life expectance of the human population, increasing the importance of fighting aging related cognitive deficits. Those deficits are mainly caused by replicative senescence, resulting in decreased neurogenesis in the adult brain, especially in the hippocampus, the structure essential for learning and memory. During the process of aging, oxidative stress increases in various tissues as well, including the brain. Along with other harmful impacts for the cells, oxidative stress leads to increased DNA damage. The NAD+-dependent histone deacetylase Sirt1, mitochondrial Sirt3 and the transcription factor Nrf2 are part of the machinery challenging these oxidative conditions. Sirt1 has been shown to be neuroprotective before, while it is not clear which role Sirt1, Nrf2 and Sirt3 play regarding adult neurogenesis and if they possibly are capable of keeping neurogenesis high, even in the aged brain. Therefore this study was designed to elucidate the functions of Sirt1, Nrf2 and Sirt3 on adult neurogenesis. Methods Immunohisto-/ -cytochemical analyses of brain sections / NPC cultures as well as gene and protein expression analyses of brain tissue / NPCs (PCR, Western Blot) were used to investigate effects of Sirt1 / Sirt3 / Nrf2 deficiency on neurogenesis and cell cycling. Results were compared to those obtained from wildtype littermate control animals / NPCs. Neurogenesis can be separated into proliferation, differentiation and maintenance of stemness of neuronal precursor cells. To assess proliferation, BrdU assays (in vitro and in vivo), immunohistochemical staining for proliferation markers like H3Ser10 as well as measurement of neurophere forming capacity (in vitro) was performed. To analyse differentiation of neuronal precursor cells, the number of Sox2+ stem cells, Olig2+ or NG2+ oligodendrocyte precursors and DCX+ neuronal precursors was quantified in vitro as well as in vivo. Maintenance of stemness / induction of stem cell exhaustion was assessed by measuring gene induction of genes relevant for cell cycling /cell cycle inhibitors as well as immunocytochemical staining for markers of DNA repair mechanisms. Results In wildtype animals, hippocampal neurogenesis is decreased upon aging, accompanied by upregulated gene expression of sirtuins, antioxidant enzymes and cell cycle inhibitors. In adult mice, Sirt1 is expressed in stem cells of the hippocampal subgranular zone (SGZ) and is upregulated upon aging. In aged mice, systemic as well as brain specific loss of Sirt1 function significantly increased the subgranular zone stem cell pool. Migratory capacity of maturating stem cells is not affected by loss of Sirt1 function in animals which underwent Sirt1 silencing in utero by targeted electroporation. In vitro, wt neuronal precursor cells exposed to in prolonged culturing conditions show decreased proliferative capacities, increased Sirt1 expression and hallmarks of aging or replicative senescence. Neuronal precursor cells expressing unfunctional Sirt1 showed higher proliferation rates than wt neuronal precursor cells, even in prolonged culturing conditions. This effect was positively correlated with the concentration of unfunctional Sirt1. In contrast to wt cells, neuronal precursor cells expressing unfunctional Sirt1 do not stop proliferating upon oxidative stress induced by BSO or metabolic stress induced by glucose deprivation. Conclusion Aging-associated oxidative stress affects HC neurogenesis. Upregulation of Sirt1 upon aging might be caused by increased oxidative stress in the aged brain. In general Sirt1 may play a role in limiting stem cell proliferation in the subgranular zone. The same holds true in vitro especially under stressful culturing conditions and prolonged culturing. Sirt1 might be an important factor in control of mitotic activity of neuronal precursor cells in response to metabolic stress.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	27.02.2015
Dateien geändert am:	27.02.2015
Promotionsantrag am:	22.01.2015
Datum der Promotion:	22.01.2015