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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-27559
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2006/2755/


Generation and analysis of a mouse line with neuronal transgenic L1 expression and behavioural analysis of L1 deficient mice

Erzeugung und Analyse einer Mauslinie mit transgener neuronaler L1 Expression und Verhaltensanalyse L1 defizienter Mäuse

Zerwas, Meike P.

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SWD-Schlagwörter: Transgene Tiere , Verhaltensanalyse
Freie Schlagwörter (Deutsch): Zelladhäsionsmoleküle , L1 , L1 defiziente Mäuse
Freie Schlagwörter (Englisch): cell adhesion molecules , L1 , L1 , L1 deficient mice
Basisklassifikation: 42.13
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schachner, Melitta (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 25.11.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 02.01.2006
Kurzfassung auf Englisch: The neural cell adhesion molecule L1, a member of the immunoglobulin superfamily, performs important functions in the developing and in the adult nervous system. These include processes such as neuronal cell migration, neurite elongation, fasciculation and pathfinding of axons, and synaptic plasticity. Several mutations in the L1 gene cause congenital neurological anomalies in humans pooled under the term “L1 spectrum”, formerly “CRASH syndrome”. Some of the mutations lead to ablation of cell surface expression of L1 and L1 deficient mice have proven to be an animal model for this disease. The mutant mouse has helped in understanding a lot of the functions of L1. Prominent features are reduced corticospinal tract, hypoplasia of the cerebellar vermis, and hydrocephalus which can be explained with the loss of L1 as guidance cue in development. Since the KO mouse is constitutive, defects due to the lack of L1 in the mature nervous system cannot be distinguished from those arising at earlier stages. To amend this problem a mouse was designed here expressing transgenic L1 under the control of the Thy-1.2 promoter on neurons starting around postnatal day 7. This mouse was then crossed into the KO background to analyse whether recovery of defects (and which ones) of the KO mouse could be achieved by late transgenic L1 expression. In addition, the KO mouse was characterised for the first time in detail regarding behaviour (in comparison with the KO_T mouse) gaining new insights into L1 function in vivo.
The new mouse line expressed transgenic L1 in neurons reaching a peak level stable throughout adulthood by postnatal day 13. Transgenic L1 was delivered to the cell surface in amounts comparable to wildtype level, though some cells carried substantial intracellular deposits of L1. L1 function was re-established completely by transgenic L1 regarding elongation of cell processes impaired in KO neurons in the neurite outgrowth assay of cerebellar granule cells in vitro. For most typical defects of KO mice no rescue was observed in vivo.
The behavioural characterisation of KO mice revealed a distinct phenotype due to the deficiency in L1. They displayed higher trait anxiety, along with lower state anxiety in several paradigms. Reduced response to 8-OH-DPAT-induced hypothermia suggested disturbance in the serotonergic pathway perhaps related to the altered anxiety state. Concerning locomotor activity there was no difference among the genotypes regarding spontaneous home cage activity, but KO mice moved more and faster in the open field and in the light/dark test than WT mice, perhaps a consequence of altered reaction to unknown territory rather than intrinsic hyperlocomotion. The severe motor impairment in the pole test demonstrated the importance of L1 function embedded in the corticospinal tract. No alterations could be observed in the long-term memory in a passive avoidance paradigm. KO_T mice displayed partial recovery in the pole test and in some parameters measuring anxiety. The WT_T genotype served as control and verified that intracellular L1 did not cause adverse effects.
The only minor recovery effects by transgenic L1 in vivo may have been due to the late onset of expression or the different cell types expressing L1 not provided with the necessary equipment or not in the correct environment for L1 function. The origin of defects may be early in development and of a severity impossible to overcome in the complex environment of the nervous system in contrast to isolated cells in vitro. Despite this, the partial recovery by transgenic L1 in the KO background confirmed defects of KO mice as specific for L1.
Kurzfassung auf Deutsch: Das neurale Zelladhäsions Molekül L1, ein Mitglied er Immunoglobulin Superfamilie, erfüllt wichtige Funktionen im entstehenden und adulten Nervensystem. Diese umfassen Prozesse wie Zellmigration, Neuritenwachstum, Faszikulierung und Wegfindung von Axonen und synaptische Plastizität. Eine Vielzahl von Mutationen im L1 Gen verursacht angeborene neurologische Anomalien im Menschen, zusammengefasst unter dem Begriff „L1 Spektrum“, früher „CRASH Syndrom“. Manche der Mutationen führen zur Beseitigung der Expression von L1 auf der Zelloberfläche, und L1 defiziente Mäuse haben sich als Tiermodell für die Krankheit erwiesen. Die mutierte Maus hat zum Verständnis vieler Funktionen von L1 beigetragen. Prominente Merkmale sind Hypoplasie des Corticospinaltraktes, Hypoplasie der Vermis des Cerebellum und Hydrocephalus, was mit dem Fehlen von L1 zur gerichteten Führung von Zellen und ihren Fortsätzen während der Entwicklung erklärt werden kann. Da die KO Maus konstitutiv ist, können Defekte durch Fehlen von L1 im reifen Nervensystem nicht von denen unterschieden werden, die in früheren Stadien entstehen. Um dieses Problem zu beheben, wurde hier eine Maus erzeugt, die transgenes L1 unter der Kontrolle des Thy-1.2 Promoters auf Neuronen mit Beginn um postnatalen Tag 7 exprimiert. Diese Maus wurde in den KO Hintergrund gekreuzt, um zu analysieren, ob Defekte (und welche) der KO Maus durch späte Expression von transgenem L1 beseitigt werden können. Zusätzlich wurde die KO Maus zum ersten Mal detailliert in ihrem Verhalten charakterisiert (im Vergleich mit der KO_T Maus), wodurch neue Einblicke in L1 Funktionen in vivo gewonnen wurden.
Die neue Mauslinie exprimierte transgenes L1 in Neuronen und erreichte das Höchstmaß bis postnatalem Tag 13, welches stabil im adulten Alter aufrechterhalten wurde. Transgenes L1 wurde an die Zelloberfläche geliefert, vergleichbar im Umfang mit der Wildtyp-Situation. Allerdings enthielten manche Zellen beträchtliche Mengen an intrazellulärem L1. L1 Funktion wurde durch transgenes L1 hinsichtlich Elongation von Zellfortsätzen in vitro vollständig wiederhergestellt. Die meisten typischen Defekte der KO Maus wurden jedoch in vivo nicht kompensiert.
Die Charakterisierung der KO Maus hinsichtlich Verhalten enthüllte einen charakteristischen Phänotyp, bestimmt durch das Fehlen von L1. Sie zeigte erhöhte intrinsische Angst einhergehend mit reduzierter Zustandsangst in mehreren Paradigmen. Vermindertes Ansprechen auf Hypothermie-Induktion durch 8-OH-DPAT wies auf Störung im serotonergen Signalnetzwerk hin, möglicher Weise in Zusammenhang mit den veränderten Angstzuständen. In der lokomotorischen Aktivität war kein Unterschied festzustellen hinsichtlich der spontanen Aktivität im Heimatkäfig, aber die KO Maus bewegte sich mehr und schneller im „open field“ und im „light/dark test“ als die WT Maus, eher als Konsequenz der veränderten Reaktion auf unbekanntes Gebiet denn intrinsischer Hyperaktivität. Der gravierende Defekt in der motorischen Funktion im „pole test“ zeigte die wichtige Rolle von L1 innerhalb des Corticospinaltraktes. Keine Veränderungen konnten festgestellt werden hinsichtlich des Langzeitgedächtnisses im passiven Vermeidungs-Paradigma. Die KO_T Maus zeigte eine partielle Aufhebung des Defektes im „pole test“ in einigen Parametern, die Angst messen. Der WT_T Genotyp diente als Kontrolle und verifizierte, dass intrazelluläres L1 keine störenden Auswirkungen hatte.
Die nur geringen re-etablierenden Effekte durch transgenes L1 in vivo könnte durch den späten Beginn der Expression oder durch die unterschiedlichen Zelltypen verursacht sein, die L1 exprimierten, aber nicht mit der notwendigen Maschinerie ausgestattet waren oder nicht im richtigen Umfeld für L1 Funktion lagen. Der Ursprung der Defekte könnte früh in der Entwicklung gelegen haben und von einem Schweregrad gewesen sein, der unmöglich zu überwinden war in dem komplexen Umfeld des Nervensystems im Gegensatz zu isolierten Zellen in vitro. Trotz allem bestätigte diese, wenn auch nur partielle, Kompensation durch transgenes L1 im KO Hintergrund, Defekte der KO Maus als spezifisch für L1.

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