Einfluss einer mTOR-Überaktivierung auf die neuronale Zellmorphologie in-vitro
Authors:   , Ludwig Johannes 
Published: November 2023

Hintergrund Epilepsie bezeichnet eine Erkrankung, welche durch eine anhaltende Prädisposition für Symptome, die im Zusammenhang mit einer ungewöhnlich starken oder synchronisierten elektrischen Aktivität des Gehirns auftreten (=epileptischer Anfall) charakterisiert ist. Mutationen in dem Gen DEPDC5 (Dishevelled, Egl-10 and Pleckstrin (DEP) domain-containing protein 5) sind mit fokalen Epilepsien assoziiert und führen in Tiermodellen und humanen Modellen zu einer Überaktivierung des mTOR-Signalweges. Auf neuromorphologischer Ebene zeigt sich die mTOR-Überaktivierung durch eine Vergrößerung des Zelldurchmessers und einer zunehmenden Verästelung der Neuriten. Ziel dieser Studie war es, die morphologischen Auswirkungen der DEPDC5-assoziierten mTOR-Überaktivierung in der SH-SY5Y-Neuroblastomzelllinie zu untersuchen. Dadurch soll eine Einschätzung getroffen werden, ob das im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen bereits gut etablierte SH-SY5Y-Zellmodell auch bei der Untersuchung epilepsieassoziierter Pathomechanismen zum Einsatz kommen kann. Methoden Unter Einsatz der CRISPR/Cas9-Methode wurden Knockout(KO)-Mutationen in Exon 2 und Exon 3 des DEPDC5-Gens erzeugt und diese mittels Sanger-Sequenzierung bestätigt. Danach wurden die Knockouts auf RNA- und Proteinebene, durch Real-time-RT-PCR und Western Blot validiert. Die bestätigten homozygoten DEPDC5-KO-Zelllinen wurden anschließend mittels Western Blot auf eine mTOR-Überaktivierung untersucht. Zuletzt erfolgte die neuromorphologische Validierung des DEPDC5-KO. Die Zellgröße proliferierender SH-SY5Y wurden mittels Durchflusszytometrie (FACS) untersucht. Zudem bestimmten wir die neuronale Architektur differenzierter SH-SY5Y unter Einsatz der Sholl-Analyse. Ergebnisse Es konnten vier unabhängige DEPDC5-KO-SH-SY5Y-Zelllinien mit homozygoten Indel-Mutationen und vorzeitigem Stoppcodon in Exon 3 generiert werden. Die erwartete Reduktion an DEPDC5-mRNA konnte mittels Real-time 10 RT-PCR nicht festgestellt werden. Die Abwesenheit des Proteins konnte durch Western Blot aber gezeigt werden. Funktionell konnte für alle Zelllinien eine mTOR-Überaktivierung mittels Western Blot nachgewiesen werden. Dabei konnte phosphoryliertes AKT (AKT serine/threonine kinase 1) als stabilster Marker etabliert werden. Auf neuromorphologischer Ebene ließ sich ein Trend in Richtung vergrößertem Zelldurchmesser bei verlängertem Auswachsen der Neuriten feststellen, wobei sich für das Modell Unterschiede zwischen den einzelnen Klonen ergaben. Diskussion In dieser Studie gelang es erstmals, den Zusammenhang zwischen DEPDC5-KO und einer mTOR-Überaktivierung in der onkogenen SH-SY5Y-Zelllinie zu replizieren. Das verlängerte Auswachsen der Neuriten, bei jedoch gleichbleibender Anzahl peripherer Verästelungen, stellt dabei einen neuen Befund dar und könnte durch die frühe neuronale Entwicklungsstufe des SH-SY5Y-Zellmodells erklärt werden. Auf Grundlage der Ergebnisse dieser Arbeit lässt sich sagen, dass das robuste und kostengünstige SH-SY5Y-Zellmodell insbesondere für high-throughput Methoden und Screeningassays ein geeignetes Modell ist. Durch die Kombination mit reiferen Zellmodellen, wie beispielsweise iPSCs (induced pluripotent stem cells), könnte der Phänotyp eines DEPDC5-KO und anderer mTOR-assoziierter Epilepsien, möglichst umfassend in-vitro dargestellt werden.