The effects of cell-specific Reelin depletion in inhibitory interneurons on the dentate gyrus of adult mice (Mus musculus, Linnaeus 1758)

Abstract

Das hochkonservierte Gehirnmatrixprotein Reelin ist ein wichtiger Dirigent im gut orchestrierten Prozess der Gehirnentwicklung. Es spielt eine wichtige Rolle als Richtungsweiser für neu geborene, migrierende Neurone, als Beeinflusser der Zellskelettfunktion oder als Modulator des N-Methyl-D-Aspartat (NMDA) Rezeptors in der Synapse. Es ist jedoch wenig darüber bekannt, welche Funktion Reelin im Erwachsenenalter hat. Vorhergehende Studien schlugen eine Beteiligung von Reelin in Krankheiten vor, die in der Jugend oder dem Erwachsenenalter auftreten. Sie berichteten von veränderten Reelin mRNA- und Proteinmengen in Gehirnen von Patienten mit Schizophrenie, Temporallappenepilepsie, bipolarer Störung, Depression und Alzheimer. Daher ist es von großem Interesse, die Funktionsweise von Reelin in einem erwachsenen Gehirn zu erforschen. Um dies zu bewerkstelligen, wurde in dieser Studie eine zellspezifisch konditionale Reelin knockout Mauslinie etabliert, in der Reelin nur in hemmenden Interneuronen dezimiert ist, welche die Hauptquellen für Reelin im adulten Cortex und Hippocampus sind. Die Aktivierung des verwendeten loxP/Cre Systems wurde mit dem interneuronenspezifischen Dlx5/6 Promotor bewerkstelligt, der die Expression der Cre-Rekombinase kontrolliert. Eine Untersuchung anhand der natürlich vorkommenden Mutante der reeler Maus, die keinerlei Reelin produziert, wäre nicht zielführend, da diese Mutante schwere Entwicklungsdefizite aufweist. Die zellspezifisch ausgeschaltete Reelin Mauslinie zeigte jedoch eine ungestörte Entwicklung, resultierend in einer normalen Schichtung und Zellarchitektur in den unterschiedlichen Gehirnregionen. Der Hauptfokus der Untersuchung wurde auf den Gyrus dentatus der hippocampalen Formation gelegt, da diese Gehirnregion sehr wichtig ist für die Musterintegration, das Lernen und Erinnern und als einer von zwei Schwerpunkten der adulten Neurogenese gilt. Weiterhin wurde gezeigt, dass der Gyrus dentatus sehr empfänglich für die Beeinflussung durch Reelin ist. Immunhistochemische Färbungen und Quantifizierungen in der Mauslinie mit zellspezifisch ausgeschaltetem Reelin offenbarten eine größere Zahl an Reelin exprimierenden Cajal-Retzius Zellen entlang der hippocampalen Fissur, eine signifikant höhere Anzahl an Calretinin exprimierenden Zellen (Mooszellen) und eine geringere Anzahl an Interneuronen im Hilus des Gyrus dentatus, sowie eine höhere Färbeintensität für Calretinin und den Cannabinoidrezeptor 1 in der inneren Molekularschicht des Gyrus dentatus. Hingegen war die Gesamtzahl und die Anzahl in den Untergruppen der Interneurone unverändert war. Zusätzlich konnte keine Körnerzelldispersion in der zellspezifisch ausgeschalteten Reelin Mauslinie festgestellt werden, obwohl Zusammenhänge zwischen einem Reelin Verlust und der Beeinflussung des Reelin Signalweges mit diesem Phänomen vorher publiziert worden waren. Die Untersuchung der adulten Neurogenese im Gyrus dentatus wurde in zwei Analysen unterteilt. Eine adressierte die Zusammensetzung und Integrität der Stammzellnische, angrenzend an die Körnerzellschicht zur Hilus Region gelegen, die zweite erfasste die Quantität der proliferierenden Zellen und Reifungsstadien der Zellen zusammen mit einer Untersuchung der Zelleigenschaften von Vorläuferzellen und jungen Neuronen. Die Stammzellnische war unversehrt und zeigte eine normale Zusammensetzung an Zellen, in deren Mitte sich eine Reelin exprimierende, hiläre kommisural-assoziirende Bahn verbundene (HICAP) Zelle befand. Die Menge an proliferierenden Zellen und Reifestadien war vergleichbar mit denen der Kontrolle, und die Zelleigenschaften der Vorläuferzellen und jungen Neuronen waren gleichfalls unverändert. Die durchgeführten Verhaltenstests deckten kein abnormes Verhalten in der etablierten Mauslinie auf, in der Reelin zellspezifisch in hemmenden Interneuronen ausgeschaltet wurde. Abschließend ist festzuhalten, dass Reelin von hemmenden Interneuronen nicht beteiligt ist an der Etablierung oder der Aufrechterhaltung von Zellschichten oder der Zellarchitektur, noch beeinflusst es in spezieller Weise die Proliferation und Reifung während der adulten Neurogenese. Andererseits führt die zellspezifische Depletion Reelins in hemmenden Interneuronen zu einer erhöhten Anzahl Reelin exprimierender Cajal-Retzius Zellen, was auf einen autokrinen Einfluss Reelins und einen möglichen kompensatorischen Effekt hindeutet. Die gesteigerte Anzahl Calretinin exprimierender Mooszellen und die stärkere Präsenz von Calretinin und des Cannabinoidrezeptors 1 in der inneren Molekularschicht des Gyrus dentatus stellen ein näher zu untersuchendes Phänomen dar. Diese Ergebnisse wurde nicht in Mäusen gefunden, die genotypisch der heterozygoten reeler Maus ähneln, deren Gesamtproteinmenge an Reelin halbiert ist, und können dadurch der zellspezifischen Depletion von Reelin in hemmenden Interneuronen zugeschrieben werden.

The highly conserved brain matrix protein Reelin is a very important conductor in the well-orchestrated process of brain development. As guidance cue for new born migrating neurons, influencer on cytoskeleton functions or modulator for N-methyl-d-aspartate (NMDA) receptors at synapses, the glycoprotein Reelin plays a critical role. However, little is known about Reelin function in adulthood. Previous studies proposed a participation of Reelin in diseases emerging at adolescence or adulthood. They reported altered amounts of Reelin mRNA and protein in brains of patients suffering from schizophrenia, bipolar disorder, depression, temporal lobe epilepsy and Alzheimer's disease. Thus, it is of great interest to investigate the function of Reelin in an adult brain. To accomplish this, this study established a cell-specific Reelin knockout mouse line, in which Reelin is depleted exclusively in inhibitory interneurons, being the main adult Reelin source in the cortex and the hippocampus. Activation of the loxP/Cre system was accomplished with the interneuron specific Dlx5/6 promoter, which controlled Cre recombinase expression. An examination with the naturally occurring mutant, the reeler mouse, which does not produce any Reelin, would be ineffective, as this mutant has severe developmental defects. However, the cell specific Reelin knockout mouse line displayed an unaffected development, resulting in normal layering and cytoarchitecture in the different brain structures. The main focus of this study was on the dentate gyrus of the hippocampal formation, as this brain area is highly important for pattern integration, learning and memory, and as one out of two hotspots of adult neurogenesis. Furthermore, the dentate gyrus had been shown to be susceptible to Reelin influence. Immunohistochemical staining and quantifications in the inhibitory interneuron specific Reelin knockout revealed a higher number of Reelin-expressing Cajal-Retzius cells at the hippocampal fissure, a significant higher cell number of Calretinin-expressing cells (mossy cells), and less interneuron numbers in the hilar area of the dentate gyrus plus a higher staining intensity of Calretinin and cannabinoid receptor 1 in the inner molecular layer of the dentate gyrus. In contrast, the overall and subgroup specific numbers of interneurons were unaltered. Additionally, no granule cell dispersion was found in the conditional Reelin knockout, although correlations between a loss of Reelin or interference with the Reelin signalling pathway with this phenomenon had previously been published. The examination of the adult neurogenesis in the dentate gyrus was split in two analyses. One addressed the composition and integrity of the stem cell niche, located adjacent to the granule cell layer and the hilar area. The second gathered the quantity of proliferating cells and maturation stages of cells together with an evaluation of cell properties of progenitor cells and young neurons. The stem cell niche was found to be intact and with a normal composition of cells containing in midst a Reelin expressing hilar commissural-associational pathway related (HICAP) cell. The amount of proliferating cells and maturating stages were comparable to the control, and the cell properties of progenitor cells and young neurons were unaltered, too. The performed behavioural tests revealed no abnormal behaviour in the established inhibitory interneuron specific Reelin knockout mouse line. In conclusion, it is to be stated that Reelin derived from inhibitory interneurons has no share of establishing or maintaining cell layering or cytoarchitecture, nor does it influence in a special way the proliferation and maturation in adult neurogenesis. On the other hand the cell specific depletion of Reelin in inhibitory interneurons led to an increased number of Reelin expressing Cajal-Retzius cells, indicating an autocrine influence of Reelin and a possible compensatory effect. The increased number of Calretinin-expressing mossy cells and the increased presence of Calretinin and cannabinoid receptor 1 in the inner molecular layer of the dentate gyrus represent a phenomenon for further investigations. These results were not found in mice genotypically comparable to the heterozygous reeler mouse, exhibiting and over all halving of Reelin protein amount, so they can be attributed to the cell specific Reelin depletion in inhibitory interneurons.