title: Regulation of neurogenesis in the adult mammalian brain
Creators: name: Cooper-Kuhn, Christiana Marie
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2003
Subjects: subject: Neurogenese , Vorläuferzelle , Proliferation , Differenzierung , Apoptosis , Hippocampus , Riechkolben , Ventriculus lateralis , Zellzyklus , Wachstumsfaktor , Neurotransmitter , Acetylcholin , Noradrenalin , Adulte Neurogenese , E2F1 Transkriptionsfaktor , Vascular Endothelial Growth Factor , adult neurogenesis , progenitor , apoptosis , proliferation , mammal
subject: 570 Biowissenschaften, Biologie

description: Anfang der 60er Jahre erschien eine Arbeit von Joseph Altman in der erste Daten präsentiert wurden, dass im Gehirn ausgewachsener Säugetiere neue Neurone gebildet werden können. Damit war eine Entwicklung angestoßen, die unser Wissen über strukturelle Plastizität des ausdifferenzierten Zentralnervensystems grundlegend verändert hat. In der Folge konnte das Auftreten von Neurogenese im erwachsenen Gehirn bei Vertretern der verschiedensten Wirbeltiergruppen nachgewiesen werden. In den letzten Jahren gelang auch beim Menschen der Nachweis der adulten Neurogenese. Neue Nervenzellen werden in zwei Regionen des erwachsenen Gehirns gebildet. Die eine ist die subventrikuläre Zone der Seitenventrikel. Hier befindet sich eine Population von neuronalen Stammzellen, die über das gesamte Lebensalter hinweg aktiv ist. Man geht davon aus, daß auf diese Weise bei Nagern jeden Tag mehrere zehntausend Neurone im Bulbus olfactorius gebildet werden. Die zweite und funktionell sehr interessante Region ist der Gyrus dentatus, ein Teil der Hippocampus-Formation. Im adulten Gyrus dentatus bilden sich kontinuierlich neue Zellen in einer dünnen Schicht zwischen dem Hilus und der Körnerzellenschicht. Der neuronale Charakter dieser neugeborenen Körnerzellen konnte ultrastrukturell, elektrophysiologisch, durch retrograde Markierung und über Neuronen-spezifischen Antikörpern nachgewiesen werden. Es stellt sich nun die Frage wie diese Fähigkeit der Zellen sinnvoll und effektiv für therapeutische Zwecke eingesetzt werden kann. Hierfür ist es jedoch zunächst notwendig, die Regulation der Neurogenese im Detail zu studieren, um Signale zu finden, die eine vermehrte Neubildung von Nervenzellen ermöglichen. Der Hauptfokus meiner Dissertation ist die Erforschung der spontanen Neubildung von Nervenzellen im adulten, intakten Gehirn von Mäusen und Ratten. Voraussetzung hierfür war zunächst die kritische Evaluierung der verwendeten Nachweismethoden und die detaillierte Beschreibung der zellulären Abläufe während der adulten Neurogenese. Es zeigte sich, dass das verwendete Bromdesoxyuridin (BrdU) in die DNA während der Zellteilung eingebaut wird und deshalb als histologischer Marker für neu gebildete Zellen verwendet werden kann. Allerdings ist kein detektierbarer Einbau bei DNA-Reparatur festgestellt worden, was Markierung unter nicht-proliferativen Bedingungen und damit falsch-positive Signale ausschließt. Unter Verwendung von BrdU in einer Zeitreihe konnte nachgewiesen werden, daß die neugebildeten Zellen eine schrittweise neuronale Differenzierung von proliferierenden Stamm- und Vorläuferzellen über migrierende Neuroblasten bis hin zu ausgereiften Neuronen innerhalb von ca. 2 Wochen durchlaufen. Dabei ist wichtig festzuhalten, dass Doublecortin, ein Mikrotubuli-assoziiertes Protein, transient in neuronal-determinierten Vorläuferzellen exprimiert wird und somit evtl. als eigenständiger Neurogenese-Marker, unabhängig von BrdU-Markierung dienen könnte. Weitere Arbeiten beschäftigten sich mit der molekularen und zellulären Regulation der Neurogenese. In einem in vivo Infusionsexperiment konnte nachgewiesen werden, daß das Überleben von neuronalen Stammzellen im adulten Gehirn spezifisch durch den Wachstumsfaktor VEGF stimulierbar ist. Hierdurch liess sich die Neurogenese um mehr als 50% steigern. In einem anderen Experiment wurde ein Mausstamm untersucht, der eine Deletion des Transkriptionsfaktors E2F1 auswiess. Eine fördernde Rolle dieses Zell-Zyklus-Kontrolgens bei der adulten Neurogenese konnte nachgewiesen werden, da in E2F1-Knockout-Mäusen eine Reduzierung der Proliferation von neuronale Stammzellen des adulten Gehirn zu einer verminderte Neubildung von Nervenzellen führte. Darüber hinaus beschäftigten sich weitere Experimente mit der Rolle von Neurotransmittern bei der Regulation der Neurogenese. Acetylcholine-Immunotoxin-Läsionen, bei denen cholinerge Nervenzellen des basalen Vorderhirns eliminiert wurden, zeigten eine verringerte Neubildung von Nervenzellen im Hippocampus und im Bulbus olfactorius und eine vermehrte apoptotische Eliminierung von neuronalen Vorläuferzellen. Immunotoxin-Läsion des Locus coeruleus, die zum Absterben von Noradrenergen Neuronen führt, zeigte eine ähnliche negative Wirkung auf die Neurogenese, sodass angenommen werden kann, dass beide Neurotransmitter, Acetylcholine und Noradrenalin, eine fördernde Rolle bei der Neubildung von Nervenzellen im erwachsenen Gehirn innehaben. Zusammenfassend stellt Neurogenese im erwachsenen Gehirn, ausgelöst durch endogene Mobilisierung von neuronalen Stammzellen, nicht nur einen völlig neues neurobiologisches Konzept dar, sondern könnte sich auch zu einer wichtige Alternativstrategie gegenüber der Stammzelltransplantation entwickeln. Sie zeigt uns nicht nur das bisher ungeahnte Regenerationpotential des Gehirns, sondern auch neue Wege in Richtung auf neuronalen Zellersatz bei neurologischen Erkrankungen.
description: In the early 60�s, Joseph Altman presented for the first time data showing that the brain of adult rodents is capable of generating new neurons. With the development of this new information, our understanding of the structural plasticity of the fully mature central nervous system was fundamentally altered. Over the following decades, this observation was rapidly succeeded by the verification that adult neurogenesis is taking place in many different species of mammals. In fact, recently it has been shown that adult neurogenesis even takes place in humans. New nerve cells are produced in two regions of the brain. The first is the subventricular zone of the lateral ventricle, where a population of neuronal stem cells continues to actively divide throughout the life of an animal. It has been proposed in rodents that this mechanism is responsible for the daily production of several tens of thousands of neurons in the olfactory bulb. The second area of adult neurogenesis, which is also functionally a very interesting region, is the dentate gyrus � part of the hippocampal formation. In the adult dentate gyrus, new cells are continually produced along a thin layer between the hilus and the granule cell layer. The neuronal characteristics of these newborn granule cells have been proven ultrastructurally and electrophysiologically, as well as through retrograde labeling and the use of neuron-specific markers. However, the question remains as to how one can appropriately and effectively make use of these cells for therapeutic purposes. In order to do this, it is first necessary to study the regulation of adult neurogenesis in detail in order to understand the signals that allow for the continued generation of nerve cells. The main focus of my dissertation was to study the spontaneous generation of nerve cells in intact adult brains of mice and rats. However, a prerequisite for this was a critical evaluation of the current labeling method (BrdU), as well as a detailed description of the sequence of cellular events taking place during adult neurogenesis. Bromodeoxyuridine (BrdU) is integrated into the DNA of cells during cell division, thus allowing for the use of this histological marker to label newly formed cells. However, BrdU was not detectable in cells undergoing DNA repair (such as apoptotic, TUNEL-positive cells), thereby ruling out falsely positive signals caused by labeling under non-proliferative conditions. By administering BrdU in a time-course series, it was possible to show that newly formed cells undergo a step-wise neuronal differentiation from proliferating stem and progenitor cells to migrating neuroblasts and finally to fully mature neurons within a period of 2 weeks. In addition, it�s important to note that doublecortin, a microtuble-associated protein, is transiently expressed in neuronally-determined progenitor cells and therefore could possibly serve as a stage-specific neurogenic marker, independent of BrdU labeling. Further projects involved the molecular and cellular regulation of adult neurogenesis. In an in vivo infusion experiment, it was shown that the survival of neuronal stem cells in the adult brain is specifically stimulated by the growth factor VEGF. In fact, neurogenesis was increased by more than 50%. In another experiment a knockout mouse with a deletion of the transcription factor E2F1 was examined. It was shown that this cell cycle controlling gene plays a promoting role in adult neurogenesis, since in the adult brain of E2F1 knockout mice, there was a reduction in proliferation of neuronal stem cells leading to less newly formed neurons. In addition, other experiments examined the role of neurotransmitters in the regulation of adult neurogenesis. Acetylcholine-immunotoxin lesions, where the cholinergic neurons of the basal forebrain were eliminated, showed a reduced production of neurons in the hippocampus and olfactory bulb, as well as increased apoptotic elimination of neuronal progenitor cells. Immunotoxin lesion of the locus coeruleus, which led to the elimination of noradrenergic neurons, showed a similar negative effect on adult neurogenesis. It can be assumed that both neurotransmitters, acetylcholine and noradrenaline, have a positive role in maintaining the production of new neurons in the adult brain. In summary, one can say that neurogenesis in the adult brain, triggered by the endogenous mobilization of neuronal stem cells, not only portrays a totally new neurobiological concept, but could also develop into an important alternative to stem cell transplantation. This shows us not only the previously unthought-of regeneration potential of the brain, but also new paths towards neuronal cell replacement of neurological diseases.