Die Rolle von hmmr während Neurulation und Hirnentwicklung im Afrikanischen Krallenfrosch Xenopus laevis

Abstract

The cerebrospinal fluid (CSF) fills the entire ventricular system of the brain, the spinal cavity and the subarachnoid space. CSF mechanically buffers the brain, transports signaling molecules and eliminates waste products. It is produced by the choroid plexus (CP) and transported throughout the ventricular system via motile cilia. Excessive production, diminished transport or reduced absorption of CSF lead to hydrocephalus, a pathological dilatation of the brain ventricles. Mutations in humans and mice showed that dysfunctional and immotile cilia also induce hydrocephalus. The underlying mechanism through which disturbed ciliary motility leads to formation of hydrocephalus is not resolved. In the present thesis the model organism Xenopus laevis was used to analyze the occurrence of hydrocephalus upon on ciliary dysmotility. Biogenesis of motile cilia was described in the Xenopus laevis brain up to metamorphosis. Gene expression of foxj1, the superior regulator of the biogenesis of motile cilia, correlated with development of elongated monocilia and the switch to multiciliated ependymal cells. Cilia on foxj1-positive cells were motile and produced a directional flow of CSF. foxj1 loss-of-function led to impaired or absent motile cilia and resulted in hydrocephalus. The development of the hydrocephalic dilatation correlated with reduced velocity of the cilia-driven CSF-flow below 300 µm/s. In cilia of the airway epithelium regulation of ciliary beat frequency via HMMR has been described with HMMR loss-of-function resulting in reduced ciliary beat frequency. In line with these results, hmmr loss-of-function in Xenopus laevis resulted in reduced velocity of CSF-flow and hydrocephalus. This suggests that especially in the fourth ventricle CSF-flow velocities above 300 µm/s are necessary to maintain a homeostatic fluid pressure in the entire ventricular system. The loss-of-function of foxj1 as well as hmmr further led to severe malformations in the dorsal midline of the brain, especially of the CP and the subcommissural organ. These ciliated structures have already been connected to development of hydrocephalus. Brain defects after loss-of-function of hmmr reflected the human disorder of holoprosencephaly (HPE) which often results from mutations in the Shh-signaling pathway and leads to hydrocephalus. Interestingly after hmmr loss-of-function induced HPE was independent of the Shh-signaling pathway. Forebrain development was disturbed because hmmr was necessary for microtubule-mediated cell adhesion during the morphogenetic movements of neurulation. This study shows for the first time, that CSF in Xenopus laevis is transported via motile cilia and confirmes that dysfunction or absent motile cilia lead to congenital hydrocephalus. Furthermore a novel role for motile cilia during fore- and midbrain morphogenesis was demonstrated. Development of hydrocephalus together with forebrain defects in foxj1 and hmmr morphants implies that cilia-dependent hydrocephalus can result from malformed dorsal midline structures. This study thus provides a basis to establish Xenopus laevis as a model organism to study the development of hydrocephalus caused by primary cilia dyskinesia and by forebrain defects.

Die Cerebrospinalflüssigkeit (CSF) füllt das komplette Ventrikelsystem des Hirns, den Spinalkanal und den subarachnoidalen Raum aus. Die CSF dient der mechanischen Pufferung des Hirns, transportiert Signalmoleküle und eliminiert Abfallprodukte des Ependyms. Der Plexus choroideus (PC) sekretiert die CSF welche mittels motiler Cilien innerhalb der Ventrikelräume transportiert werden. Eine übermäßige Bildung, verminderter Transport sowie verringerte Absorption der CSF können zu Hydrocephalus führen, einer pathologischen Erweiterung der Hirnventrikel. Durch Mutationen in Mensch und Maus ist bekannt, dass dysfunktionale und immotile Cilien ebenfalls zum Krankheitsbild des Hydrocephalus führen. Auf welche Weise die Beeinträchtigung von Cilienmotilität zur Ausbildung eines Hydrocpehalus führt ist bislang nicht geklärt. In der vorliegenden Arbeit wurde der embryologische Modellorganismus Xenopus laevis verwendet, um die Entstehung von Cilienmotilitäts-basiertem Hydrocephalus zu analysieren. Die Entwicklung von Cilien im Hirn von Xenopus laevis wurde bis hin zur Metamorphose beschrieben. Dabei korrelierte die Genexpression von foxj1, dem übergeordneten Regulator der Biogenese motiler Cilien, mit der Ausbildung elongierter Monocilien und dem Übergang zu Multicilien-tragenden, ependymalen Zellen. Die Cilien foxj1-positiver Zellen waren motil und erzeugten eine gerichtete CSF-Strömung. Der Funktionsverlust von foxj1 beeinträchtigte und ablatierte motile Cilien und erzeugte eine hydrocephalische Aufweitung des vierten Ventrikels. Dabei korrelierte die Entstehung von Hydrocephalus mit einer Verlangsamung der ciliengetriebenen CSF-Fließgeschwindigkeit auf unter 300 µm/s. Für Atemwegscilien ist eine Regulation des Cilienschlags durch HMMR beschrieben, wobei ein Funktionsverlust von HMMR die Cilienschlagfrequenz verlangsamt. Passend dazu führte der Funktionsverlust von hmmr in Xenopus laevis zu verlangsamter CSF-Strömung und resultierte in einem Hydrocephalus des vierten Ventrikels. Dies legt nahe, dass insbesondere im vierten Ventrikel eine CSF-Fließgeschwindigkeit von über 300 μm/s nötig ist, um einen homöostatischen Flüssigkeitsdruck im gesamten Ventrikelsystem aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus induzierte der Funktionsverlust sowohl von foxj1 als auch von hmmr Fehlbildungen im Bereich der dorsalen Mittellinie des Vorder- und Mittelhirns. Dies betraf vor allem den PC sowie das subkommissurale Organ und somit cilienbesetzte Strukturen, welche bereits mit der Entstehung von Hydrocephalus verknüpft wurden. Die Hirndefekte nach Funktionsverlust von hmmr entsprachen dem Krankheitsbild der Holoprosencephalie (HPE). Diese kongenitale Fehlbildung wird meist durch Mutationen im Shh-Signalweg ausgelöst und geht mit Hydrocephalus einher. Überraschenderweise war HPE nach Funktionsverlust von hmmr unabhängig vom Shh-Signalweg. Vielmehr war die Entwicklung des Vorderhirns gestört, da hmmr für Mikrotubuli-vermittelte Zelladhäsion während der morphogenetischen Bewegungen der Neurulation notwendig war. Diese Arbeit zeigte zum ersten Mal, dass die CSF in Xenopus laevis durch motile Cilien transportiert wird und bestätigte, dass fehlende und dysfunktionale, motile Cilien zu kongenitalem Hydrocephalus führen. Neu ist, dass motile Cilien eine Rolle für die Morphogenese des Vorder- und Mittelhirns spielen. Die Enstehung eines Hydrocephalus im Zusammenhang mit Vorderhirndefekten in foxj1- und hmmr-Morphanten legt nahe, dass ein cilienabhängiger Hydrocephalus durch die Fehlbildung dorsaler Mittellinienstrukturen entstehen kann. Die vorliegende Arbeit hat somit die Grundlage geschaffen, um Xenopus laevis als Modellsystem für die Entstehung von Hydrocephalus bei ciliärer Dyskinesie und Vorderhirndefekten zu etablieren.