Understanding Cerebellar Musterbildung

Ich bin Kathy Millan. Ich bin Assistenzprofessorin an der University of Chicago in der Abteilung für Humangenetik und auch in der Abteilung für Neurologie. Und ich arbeite an der Entwicklung des Gehirns, und speziell an der Entwicklung von Cere Butler, dem Kleinhirn, dem Teil des Gehirns hier hinten im hinteren Teil des Schädels.

Und es ist vor allem für seine Rolle bei der Motorentwicklung bekannt, aber es stellt sich heraus, dass es an vielen Dingen beteiligt ist. Und es ist ein wirklich interessanter Teil des Gehirns: Die Musterbildung ist die Entwicklung von Mustern in einem biologischen System. Und es ist eines dieser Wörter, die Entwicklungsbiologen auf eine etwas schwammige Art und Weise verwenden, um fast alles zu bedeuten.

Und es ist nicht wirklich klar, was das bedeutet. Ich denke, jeder Entwicklungsbiologe würde Ihnen eine andere Version dessen geben, was es für mich bedeutet. Was es bedeutet, ist, wie das Gehirn, oder insbesondere das Kleinhirn, von oben und unten weiß, wie man links und rechts definiert?

Wie entscheiden Sie, welcher Teil der Struktur sein wird, welcher Teil? Und wenn Sie diese kritischen, grundlegenden frühen embryonalen Entscheidungen getroffen haben, wie bringen Sie dann die gesamte Zellstruktur zusammen, um den exquisit gemusterten Teil des Gehirns zu bilden, den wir Kleinhirn nennen? Wir sind also wirklich an der Kleinhirnentwicklung und der Musterinformation im sich entwickelnden Kleinhirn interessiert.

Denn das Kleinhirn ist ein exquisit gemustertes Gewebe. Es hat nicht so viele Zellschichten und nicht so viele Zelltypen. Im Vergleich zu anderen Teilen des Gehirns ist es also vor allem, nun, es ist eine relativ einfache Struktur.

Und auch, weil das Kleinhirn eine ganz bestimmte Funktion hat, oder eine von vielen Funktionen ist die motorische Koordination. Wenn Mäuse oder Menschen Kleinhirnanomalien aufweisen, ist einer der daraus resultierenden Phänotypen die motorische Koordinationsstörung. Und so gab es in den etwa hundert Jahren der Mausgenetik mehrere spontane Mausmutanten, die entdeckt und bis zu einem gewissen Grad charakterisiert worden waren, aber auch einfach isoliert wurden und in den Jackson Labs im Regal saßen, wo es sich um Mäuse mit motorischen Anomalien handelte.

Und eine große Anzahl dieser Mäuse, ich glaube, es gibt über 60 spontane Stämme, haben Kleinhirn-Entwicklungsanomalien. Und diese Ressource ist eine wirklich wertvolle, reichhaltige Ressource, um zu untersuchen, was die Entwicklungsmechanismen sind, die die Bildung von Kleinhirnmustern antreiben. Mein Labor konzentriert sich also darauf, alle Werkzeuge, die wir aus dem Humangenomprojekt und dem Mausgenomprojekt haben, zu nutzen und diese molekularen Reagenzien zu verwenden, um die Gene zu finden, die in all diesen spontanen Mutanten mutiert sind.

Und indem wir diese Mutanten finden, verfolgen wir einen phänotypzentrierten Ansatz bei der Suche nach Genen. Wir nehmen also nicht wahllos Gene und schalten sie aus. Wir finden Phänotypen und die Gene, weil wir mit diesem Ansatz speziell Gene finden, die für das interessierende System besonders relevant sind.

Unser Labor und viele andere Labore haben also eine Reihe dieser spontanen Mausmutanten geklont. Und diese spontanen Mausmutanten haben zu einer wirklich interessanten neuen Biologie geführt. Weil wir diesen phänotypgesteuerten Ansatz verfolgen.

Wir haben keine vorgefassten Meinungen darüber, welche Art von Genen wir finden werden. Wir suchen nicht speziell nach Dal-Ho-Analoga oder Kanalmutationen. Wir kommen zu den Genen, die die Phänotypen diktieren.

Und deshalb lernen wir eine Menge neuer Biologie. Zum Beispiel eines der Gene oder einen der Phänotypen, an denen mein Labor gearbeitet hat, und als ich als Postdoc mit einem anderen Kollegen, Jim Linig, war, arbeiteten wir an einer Mausmutante namens dre, was deutsch für Spinner oder Spinnen wie ein Kreisel ist. Und diese Mausmutanten tauchten erstmals 1929 in Deutschland auf und haben sich in den Jackson Labs angesammelt.

Es gibt mehrere Allele dieses speziellen Locus, und es war bekannt, dass das Kleinhirn falsch gebildet war. Es waren also alle Kleinhirnzelltypen vorhanden, aber das Muster des Kleinhirns war abnormal. Dem Mittelteil fehlte der Mittelteil, der Verus genannt wird.

Und wir entdeckten, dass es bei diesen Mäusen einen frühen embryonalen Phänotyp gab, der zu diesem adulten Phänotyp führte. Und der Phänotyp war das Ergebnis einer Mutation in einem Gen namens LMX one A, was für Limb Homöo-Domäne steht, die Box eins enthält. Das L LMX one A-Gen wird in der Entwicklungsbiologie zu einem wirklich interessanten und wichtigen Gen, weil es eines der wichtigsten Gene ist, um zu definieren, was im Zentralnervensystem vorhanden ist oder was dorsal ist.

Und ohne diese seltene Mutation wusste niemand, was dieses Gen tut. Tatsächlich war es aus anderen Gründen in insulinproduzierenden Zellen in der Bauchspeicheldrüse gefunden worden. Und andere Leute hatten es auf eine mögliche Rolle bei Diabetes untersucht.

Aber tatsächlich stellt sich heraus, dass das Altern des LMX an sich wirklich keine Rolle bei der Entwicklung der Bauchspeicheldrüse oder der Entwicklung von Ösenzellen spielt. Und in der Tat besteht seine Hauptrolle bei der Entwicklung darin, die dorsale Musterung im Zentralnervensystem voranzutreiben. Als wir das DR-Gen, das LMX one A-Gen, zum ersten Mal klonierten, stellten wir fest, dass es nur im dorsalen Teil des Zentralnervensystems exprimiert wird.

Und tatsächlich wird es nicht nur im dorsalen Teil des Zentralnervensystems oder in der Dachplatte exprimiert, die es rund um das Kleinhirn genannt wird. Es wird tatsächlich im dorsalen Teil des Zentralnervensystems entlang der gesamten axialen Länge des Mausembryos exprimiert. Und tatsächlich wird es über die gesamte axiale Länge jedes Wirbeltiers exprimiert, das wir bisher betrachtet haben.

Und weil es überall dorsal exprimiert wird, haben wir uns überlegt, dass es eine Rolle dorsal in anderen Teilen des zentralen Nervensystems spielen muss. Und so haben wir tatsächlich viel Zeit damit verbracht, den Phänotyp der DR-Mäuse im Rückenmark zu charakterisieren, denn das Rückenmark ist eigentlich ein viel besseres Modellsystem für das Verständnis der ZNS-Entwicklung als das Kleinhirn, weil es viel weniger dreidimensional kompliziert ist. Es hat viel weniger dreidimensionale Strukturen.

Als wir zum Küken wechselten, konnten wir tatsächlich eine große Anzahl von Reagenzien nutzen, um herauszufinden, welche Rolle LMX one A im Rückenmark spielt. Und vom Rückenmark wechselten wir zurück ins Kleinhirn. Und ehrlich gesagt, ich glaube nicht, dass wir ohne die Technologie der Küken wirklich ein großartiges Verständnis dafür gehabt hätten, was das LMX-Gen tut. Ein Postdoc in meinem Labor, Victor Chiko, war die Person, die diese Experimente wirklich durchführte und mit ihnen durchlief.

Und er war die Person, die tatsächlich herausfand, was das LMX-Gen tut und welche Hauptrolle es im Zentralnervensystem spielt, indem er das Chirken-Elektroporationssystem verwendete. Und ich glaube ehrlich gesagt nicht, dass wir ohne die Küken-Elektroporation so viel Fortschritt hätten machen können, wie wir es getan haben. Die Küken-Elektroporation ist also eine wirklich wertvolle Technologie, weil man Gene im sich entwickelnden Nervensystem des Kükens schnell überexprimieren kann, nach zwei oder drei Tagen Inkubation ein Ergebnis erhält und analysierbare Phänotypen erhält.

Wenn man tatsächlich versuchen würde, Genmanipulationen an Mäusen für transgene Tiere durchzuführen, würde das mehrere Monate dauern, und für Knockouts usw. würde das mindestens anderthalb Jahre dauern. Das Kükensystem ist also ein wirklich wertvolles System, weil man die Genexpression manipulieren und Phänotypen schnell herausfinden kann. Das Altern des LMX, wenn es im sich entwickelnden Nervensystem des Kükens, insbesondere im sich entwickelnden Rückenmark, überexprimiert wird, führte dazu, dass sich der gesamte dorsale Teil des Zentralnervensystems oder des Rückenmarks in einen dorsalen Teil des Zentralnervensystems oder der Dachplatte verwandelte.

Und was uns das in Kombination mit einer Reihe anderer Experimente, die Victor gemacht hat, sagte, war, dass LMX one A allein dafür verantwortlich ist, das gesamte Differenzierungsprogramm der Dachplatte zu steuern. Und das ist wichtig, denn die Dachplatte ist ein kritisches Signalzentrum im sich entwickelnden Nervensystem. Wenn Sie keine Dachplatte haben, sezernieren Sie kein Morphogen, um benachbarte Neuralrohrzellen zu informieren, sich in dorsale sensorische Neuronen zu verwandeln.

Und ohne diese Signale gehen diese Zellen in den Standardzustand eines Zwischenzelltyps über. Und man verliert die meisten dorsalen Neuronen im, im Rückenmark, aber eigentlich auch im sich entwickelnden Kleinhirn. Und ich glaube nicht, dass wir mit einem anderen System als dem Hühnchen-Neuralrohr leicht zu diesem Schluss gekommen wären.

Wir interessieren uns sehr für die Kleinhirnentwicklung, nicht nur wegen der grundlegenden Biologie in Maussystemen und auch beim Küken, sondern auch beim Menschen haben Kleinhirnfehlbildungen. Und diese menschlichen Kleinhirnfehlbildungen sind wirklich wenig verstanden. Und so haben wir in Zusammenarbeit mit einem Kollegen, Dr. William Dobbins, einem der weltweit führenden Experten für menschliche Hirnfehlbildungen, gemeinsam ein Projekt initiiert, um Gene für menschliche Kleinhirnfehlbildungen zu finden.

Und wir verfolgen mehrere Ansätze. Eines der größten Dinge, die wir getan haben, ist, dass wir eine DNA-Datenbank und eine klinische Datenbank aufgebaut haben, in der wir über 500 Patienten mit definierten menschlichen Kleinhirnfehlbildungen rekrutiert und Bilder von MRTs gesammelt und diese auch mit DNA-Proben korreliert haben, damit wir diese als Ressource für die Genjagd nutzen können, denn es stellt sich heraus, dass menschliche Kleinhirnfehlbildungen überhaupt nicht gut kategorisiert sind. Und ich würde ehrlich sagen, dass von 10 Scans, die wir im Rahmen unserer Studien erhalten, mindestens einer dieser Scans eine Fehlbildung ist, die noch nie beschrieben und bisher nicht wirklich erkannt wurde.

Die häufigste Fehlbildung des menschlichen Kleinhirns wird als Dandy-Walker-Fehlbildung bezeichnet und ist diejenige, die von Klinikern am meisten anerkannt wird. Aber es stellt sich heraus, dass es eine Art Mülldiagnose der menschlichen Kleinhirnwelt ist. Jeder Arzt oder viele Ärzte, wenn sie ein abnormales Kleinhirn sehen, das als Dandy Walker eingestuft wird.

Und so rekrutieren wir Patienten für unsere Dandy-Walker-Malformationsstudie und finden alle möglichen interessanten Kleinhirnfehlbildungen. Wir nutzen diese Ressource, um neue Kleinhirn-Entwicklungsgene zu finden, denn als Entwicklungsbiologe denke ich, dass der Mensch ein großes Mutagenese-Experiment ist. Sie sind eine großartige Quelle, um neue Entwicklungsgene zu finden.

Wir verfolgen also mehrere Ansätze, um diese Gene zu finden. Einer dieser Ansätze besteht darin, Gene zu nehmen, die wir bei Mäusen herausgefunden haben und die eine Rolle bei der Kleinhirnentwicklung spielen, und diese Gene beim Menschen zu sequenzieren. Und tatsächlich haben wir erst kürzlich die allererste menschliche LMX one A-Mutation identifiziert.

Bisher gab es nur sehr begrenzte Anwendungen unserer grundlagenwissenschaftlichen Forschung in der klinischen Forschung. Aber das ändert sich wirklich schnell. Wenn wir neue und neue Gene finden, können wir den Familien betroffener Kinder neue genetische Beratungsinformationen zur Verfügung stellen.

Und ehrlich gesagt, sehe ich dort die größten Auswirkungen unserer Forschung. Meine Vision für das Feld von fünf Jahren in fünf Jahren ist also, dass viel mehr Genentdeckungen sowohl durch die Charakterisierung von Mausmodellen als auch durch die Arbeit an menschlichen Kleinhirnfehlbildungen stattgefunden haben. Wir werden mehr über die Gene erfahren, die an der Kleinhirnentwicklung beteiligt sind.

Und dann muss das Ziel sein, wie diese Gene miteinander interagieren und wie diese Gene die eigentliche Biologie steuern. Wie treiben sie all die verschiedenen zellulären Ereignisse an, die stattfinden, um ein Kleinhirn zu bilden? Und ich denke, das Kleinhirn ist wirklich ein ideales Modell für das gesamte zentrale Nervensystem, denn ehrlich gesagt gibt es nur fünf bis sieben prinzipielle neuronale Zelltypen.

Sie sind alle auf unterschiedliche stereotype Weise angeordnet. Wir lernen immer mehr über die Moleküle, die die Spezifizierung und die frühe Differenzierung dieser Vorläuferzellen vorantreiben. Wir verstehen immer mehr darüber, wie sich diese Zellen vermehren.

Ich denke also, dass es in mehr als fünf Jahren sein wird, aber letztendlich sehe ich das Feld in der Lage, die Röhrenentwicklung den ganzen Weg durch die Kleinhirnentwicklung zu gehen, um die reife Form des Kleinhirns zu erreichen. Und ich denke, weil das Kleinhirn ein relativ einfaches System ist, haben wir die Hoffnung, tatsächlich die Moleküle und die Entwicklungsereignisse herauszufinden, die die Bildung des gesamten Zentralhirns antreiben. Und ich denke, das ist wirklich wichtig, nicht nur für den Bereich der genetischen Diagnose beim Menschen, und es ist wichtig für den Bereich der Kleinhirnentwicklung, sondern ich denke, wir werden auch Anwendungen dieser Mechanismen auf andere Teile des Gehirns haben.

Das Kleinhirn ist eine relativ einfache Struktur, aber viele der Entwicklungsereignisse werden nicht ausschließlich auf das Kleinhirn beschränkt sein. Wir können das, was wir vom Kleinhirn gelernt haben, auf andere, kompliziertere Regionen des Zentralnervensystems wie die Großhirnrinde übertragen, und die Lektionen und die Wege, die wir gelernt haben, nehmen und herausfinden, wie diese auf den Rest des Gehirns angewendet werden.