Ο ρόλος της νευρωνικής πρωτεΐνης συνάφειας TAG-1 στις αξονο-γλοιακές αλληλεπιδράσεις στην ανάπτυξη και αναγέννηση του νευρικού συστήματος

Abstract

TAG-1 is a neural adhesion protein of Immunoglobulin Superfamily (IgCAM) that is linked to the plasma membrane through a glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor. The expression pattern of TAG-1 has been extensively studied mainly during the embryonic development, where it is expressed in specific neuronal sub-populations immediately after their differentiation. Its expression is implicated in axonal growth and guidance as well as in neuronal migration. In addition, the TAG-1 mRNA had been detected in adult central nervous system (CNS), but these studies lacked a detailed analysis of TAG-1 expression and in the case of the peripheral nervous system, no such studies were performed. In this study, a detailed analysis of TAG-1 is presented in adult dorsal root ganglion (DRG) neurons, where it is detected at lower levels as compared to earlier stages. TAG-1 expressed in the cell bodies of the previous neurons could mediate the formation and maintenance of contact between neurons and their satellite glial cells in the DRG capsule. At the same time, protein expression is detected in the projections of these neurons, in which its reduction during development could signal the formation or the final differentiation of myelin sheath around the larger diameter axons. The central innervation target of DRG neurons (spinal cord) is important for the maintenance of proper TAG-1 expression, since the absence of this target in the in vivo model of excitotoxic lesion, results in the significant reduction of TAG-1 protein levels in the cell bodies and the peripheral projections of injured neurons. During DRG regeneration in the in vivo model of unilateral sciatic nerve axotomy, there is no increase of TAG-1 levels at the initial stages of axonal sprout formation. The continuous concentration of TAG-1 in DRGs is possibly correlated with the high regeneration efficiency of these neurons. In more advanced stages of regeneration, we observe a significant reduction of TAG-1 that might be caused by the interactions of axonal sprouts with the Schwann cell substrate at the distal nerve stump. The persisting reduction of TAG-1 possibly contributes to the further elongation and guidance of regenerating axons to their original targets. In addition to adult peripheral neurons, we detected both in vivo and in vitro expression of TAG-1 in PNS glial cells, the Schwann cells. After birth, the non-myelin forming Schwann cells start expressing TAG-1 which is retained till adulthood. TAG-1 expressed in these cells possibly mediates axo-glial interactions which result in the formation and maintenance of unmyelinated fibers. During regeneration, in the unilateral sciatic nerve injury (crush), an increased expression of TAG-1 in Schwann cells is observed, possibly correlating with the increased efficiency of these cells to support the regeneration process. Furthermore in the adult, TAG-1 is detected in the myelin-forming Schwann cells and oligodendrocytes as well as in the juxtaparanodal region of myelinated nerve fibers, in which it is possibly involved in the axo-glial interactions that take place in the region of the node of Ranvier. The absence of proper TAG-1 localization, observed in the CGT mutant mice that do not produce the major myelin galactolipids galactocerebroside and sulfatide, possibly contributes to the seriously compromised axo-glial interactions that are noticed in the region of node of Ranvier of these animals. In myelinated fibers, TAG-1 is expressed in the myelin sheath that contacts the axon in the juxtaparanodal region, where it is colocalized with potassium channels and the neurexin protein Casrp2, proteins that are expressed in the axonal membrane. In the TAG-1 deficient mice, the absence of protein expression results in a dramatic molecular disorganization of the juxtaparanodal region and as a consequence potassium channels and Caspr2 are not distributed normally in the myelinated fibers. These data suggest that TAG-1 binds to the complex of potassium channels/Caspr2 in a way that triggers the localization of this complex in the juxtaparanodal region, contributing to the proper neuronal impulse propagation along the myelinated fiber.

Η TAG-1 είναι µία νευρωνική πρωτεΐνη συνάφειας της υπερ-οικογένειας των ανοσοσφαρινών (IgCAM) που συνδέεται στη µεµβράνη µε πρόσδεµα GPI. H έκφραση της TAG-1 είχε µελετηθεί εκτεταµένα κατά τη διάρκεια της εµβρυϊκής κυρίως ανάπτυξης, οπότε και εκφράζεται σε συγκεκριµένους υπο-πληθυσµούς νευρώνων αµέσως µετά τη διαφοροποίησή τους. Η έκφρασή της σχετίζεται µε την επέκταση και την καθοδήγηση νευραξόνων, καθώς και µε ορισµένες µορφές νευρωνικής µετανάστευσης. Επίσης έκφραση του TAG-1 mRNA είχε εντοπιστεί και στο ενήλικο κεντρικό νευρικό σύστηµα (ΚΝΣ), αλλά από τις µελέτες αυτές έλλειπε η λεπτοµερής ανάλυση της έκφρασης της ΤΑG-1 στον ενήλικο και ειδικότερα στο επίπεδο του περιφερικού νευρικού συστήµατος (ΠΝΣ). Με την παρούσα εργασία παρουσιάζεται µία αναλυτική περιγραφή της έκφρασης της ΤΑG-1 στους νωτιαίους γαγγλιακούς νευρώνες του ενηλίκου, όπου εντοπίζεται σε χαµηλότερα επίπεδα σε σχέση µε προηγούμενα στάδια. Η έκφραση της ΤΑG-1 στα σώµατα των νευρώνων αυτών θα µπορούσε να µεσολαβεί στη δηµιουργία και τη διατήρηση των συνδέσεων των νευρώνων µε τα δορυφορικά τους γλοιακά κύτταρα, που έχουν ως αποτέλεσµα την συµπαγή οργάνωση των κυττάρων αυτών µέσα στηv κάψα του νωτιαίου γαγγλίου. Παράλληλα έκφραση της πρωτεΐνης εντοπίζεται στις απολήξεις των νευρώνων αυτών, όπου η ελάττωσή της κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης θα µπορούσε να σηµατοδοτεί τη δηµιουργία ή την τελική διαφοροποίηση του ελύτρου της µυελίνης γύρω από τους άξονες µεγαλύτερης διαµέτρου. Ο κεντρικός στόχος νεύρωσης των νωτιαίων γαγγλιακών νευρώνων (νωτιαίος µυελός) είναι σηµαντικός για τη διατήρηση της οµαλής έκφρασης της TAG-1, καθώς απώλειά του στο in vivo µοντέλο της εξωκυτταροτοξικής καταστροφής, έχει ως αποτέλεσµα τη σηµαντική µείωση των επιπέδων της στα κυτταρικά σώµατα και στις περιφερικές απολήξεις των τραυµατισµένων νευρώνων. Κατά τη διάρκεια της αναγέννησης των νωτιαίων γαγγλίων στο in vivo µοντέλο της µονόπλευρης διατοµής του ισχιακού νεύρου, δεν παρατηρείται επανάληψη του εµβρυϊκού προτύπου της TAG-1, καθώς δεν εντοπίζεται αύξηση των επιπέδων της στα αρχικά στάδια της δηµιουργίας των αυξητικών προεκβολών. Η συνεχιζόµενη συγκέντρωση της TAG-1 στα νωτιαία γάγγλια είναι πιθανό να συνδέεται µε την υψηλή αναγεννητική ικανότητα των νευρώνων αυτών. Σε προχωρηµένα στάδια της αναγέννησης διακρίνουµε µία σηµαντική µείωση της TAG-1, που είναι δυνατό να προκαλείται από τις αλληλεπιδράσεις των αυξητικών προεκβολών µε το υπόστρωµα των κυττάρων Schwann στο ακραίο τµήµα του νεύρου. Η παρατεταµένη µείωση της TAG-1 είναι πιθανό να συµβάλλει στην περαιτέρω επιµήκυνση και καθοδήγηση των υπό-αναγέννηση νευραξόνων προς τον αρχικό τους στόχο. Παράλληλα µε τους ενήλικους περιφερικούς νευρώνες, διαπιστώσαµε in vivo και in vitro έκφραση της TAG-1 στα γλοιακά κύτταρα του ΠΝΣ, τα κύτταρα Schwann. Μετά τη γέννηση, κύτταρα Schwann που δεν παράγουν µυελίνη ξεκινούν να εκφράζουν την TAG-1 που διατηρείται έως τον ενήλικο. Η έκφραση της ΤΑG-1 στα κύτταρα αυτά είναι πιθανό να συµβάλλει στις αξονο-γλοιακές αλληλεπιδράσεις, που έχουν ως αποτέλεσµα τη δηµιουργία και τη διατήρηση των αµύελων ινών. Κατά τη διάρκεια της αναγέννησης, στο µοντέλο του µονόπλευρου τραυµατισµού (crush) του ισχιακού νεύρου, παρατηρείται αύξηση της έκφρασης της TAG-1 στα κύτταρα Schwann, που είναι πιθανό να συνδέεται µε την αυξηµένη ικανότητα των κυττάρων αυτών να ευνοούν την αναγέννηση. Επιπλέον στον ενήλικο, έκφραση της TAG-1 εντοπίζεται στα εµµύελα κύτταρα Schwann και στα ολιγοδενδροκύτταρα, καθώς και στην εγγύς-παρακοµβική περιοχή των εµµύελων νευρικών νευρικών ινών, όπου είναι πιθανό να µεσολαβεί στις αξονο-γλοιακές αλληλεπιδράσεις που συντελούνται στην περιοχή του κόµβου Ranvier. Η παρατηρούµενη έλλειψη σωστής κατανοµής της TAG-1 στους CGT µεταλλαγµένους µύες, που δεν εκφράζουν τα κυριότερα γαλακτολιπίδια της µυελίνης γαλακτοσερεβροσίδιο και σουλφατίδιο, είναι πιθανό να συµβάλλει στις έντονες διαταραχές των αξονο-γλοιακών αλληλεπιδράσεων που παρουσιάζονται στην περιοχή του κόµβου Ranvier των ζώων αυτών. Στις εµµύελες ίνες, η TAG-1 εκφράζεται στο επίπεδο της µυελίνης που είναι σε επαφή µε τον νευράξονα στην εγγύς-παρακοµβική περιοχή, όπου συνεντοπίζεται µε τους διαύλους καλίου και την neurexin πρωτεΐνη Casrp2, πρωτεΐνες που εκφράζονται στο επίπεδο της αξονικής µεµβράνης. Στους TAG-1 µεταλλαγµένους µύες, η απώλεια της έκφρασης της πρωτεΐνης έχει ως συνέπεια την σοβαρή µοριακή αποδιοργάνωση της εγγύς-παρακοµβικής περιοχής, µε αποτέλεσµα οι δίαυλοι καλίου και η Caspr2 να µην εµφανίζουν φυσιολογική κατανοµή στις εµµύελες ίνες. Αυτά τα δεδοµένα υποστηρίζουν τη σύνδεση της TAG-1 µε το σύµπλοκο διαύλων καλίου/Casrp2, έτσι ώστε το σύµπλοκο αυτό να συγκεντρώνεται στην εγγύς-παρακοµβική περιοχή συµβάλλοντας στην οµαλή µετάδοση της νευρικής ώσης κατά µήκος της εµµύελης ίνας.