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Rolle des nicht-neuronalen cholinergen Systems während der embryonalen Skelettentwicklung

Klaczinski, Janine :
Rolle des nicht-neuronalen cholinergen Systems während der embryonalen Skelettentwicklung.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Rolle des nicht-neuronalen cholinergen Systems während der embryonalen Skelettentwicklung
Language: German
Abstract:

In den letzten Jahren konnte sich die Vorstellung eines funktionell relevanten nicht-neuronalen cholinergen Systems, das unabhängig von cholinergen Nerven fungiert, immer mehr durchsetzen. In früheren Studien wurde gezeigt, dass Zellen des zentralen chondrogenen Kerns der Extremitätenknospen im Huhn in der Lage sind parallel zur Acetylcholinesterase (AChE) auch andere Komponenten des cholinergen Systems, wie Acetylcholin (ACh) oder nikotinischen Acetylcholinrezeptoren (nAChR), zu synthetisieren. Um die genaue Funktion des nicht-neuronalen cholinergen Systems in der Skeletogenese aufzuklären zu können, untersuchte ich die Chondrogenese während der Entwicklung der Extremitäten in AChE-Knockout-Mäusen. Diese Mäuse zeigen starke Veränderungen während der endochondralen Ossifikation und einen dramatischen Verlust der extrazellulären Knorpelmatrix innerhalb der Epiphyse der Knochen. Normalerweise werden die Hauptkomponenten der extrazellulären Knorpelmatrix von Matrix-Metalloproteinasen (MMP) abgebaut, doch in den Mausmutanten zeigte sich unerwarteter Weise, trotz fehlender Matrix, eine deutliche Verminderung der MMP-13 Expression in den Epiphysen und Diaphysen dieser Mutanten. Ich konnte ebenfalls zeigen, dass in den AChE-Knockout-Mäusen die Expression von Typ II Kollagen in den ruhenden Chondrozyten herunter geregelt ist, während sie in den proliferierenden, prähypertrophen und hypertrophen Chondrozyten unverändert bleibt. Parallel dazu sind die Expressionen von Typ X Kollagen, Indian hedgehog (Ihh) und der alkalischen Phosphatase (ALP) in den prähypertrophen und hypertrophen Chondrozyten stark herunter reguliert. Dies hat zur Folge, dass die Chondrozyten in diesen Mutanten die Hypertrophe Differenzierung nicht vollständig durchlaufen. Darüber hinaus konnte ich diesen auftretenden Phänotyp auch in vitro im Huhnmodel mit Hilfe der high density Mikromasskultur nachahmen. Hierfür habe ich in vitro die AChE Aktivität gehemmt oder die Kultur mit Nikotin behandelt. Ich konnte dabei zeigen, dass sowohl die Hemmung der AChE-Aktivität als auch die Behandlung mit Nikotin zu einer konzentrationsabhängigen Verminderung der Knorpelmatrix und der ALP-Aktivität führt. In diesem Kultursystem konnte ich ebenfalls zeigen, dass die beobachteten Defekte über die Steuerung des nAChRs reguliert werden. Zusammengenommen unterstützen meine Ergebnisse ein neues Modell für die Regulierung der Chondrozytendifferenzierung durch ein nicht-neuronale cholinergen System, in dem AChE für die Kontrolle der Hypertrophe Differenzierung unbedingt erforderlich ist.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In recent years, the existence and functional relevance of a non-neuronal cholinergic system that is independent of cholinergic nerves is unfolded to a well-established model. In previous studies it has been shown that cells of the central chondrogenic core of chick limb buds are capable to synthesize acetylcholinesterase (AChE) parallel to the expression of other components of the cholinergic system like acetylcholine (ACh) or nicotinic acetylcholine receptors (nAChR). To elucidate the exact role of the non-neural cholinergic system in skeletogenesis, we investigated the chondrogenesis during limb development in AChE knockout mice. These mice show drastic defects in the process of endochondral ossification with remarkable loss of cartilage matrix within the epiphysis of bones. Normally, matrix-metalloproteinase degrades major components of the extracellular matrix of cartilage but markedly the expression of MMP-13 is severely down-regulated in epiphysis as well as diaphysis of these mutants. Here, we also demonstrate that in AChE knockout mice the expression of type II collagen was down-regulated in resting chondrocytes but remains steady in proliferating, prehypertrophic and hypertrophic chondrocytes. Parallel to these expression type X collagen, Indian hedgehog (Ihh) and alkaline phosphatase (ALP) activity was totally down-regulated which leads to a failure in hypertrophic differentiation. In addition, we mimicked this phenotype by an in vitro chick limb bud micromass culture system. To this purpose we inhibited AChE activity or treated with nicotine and can show that both, inhibition of AChE and additionally nicotine treatment leads to a concentration-dependent decrease in cartilaginous matrix synthesis and ALP activity. In this culture system we can also demonstrate that the activation or inactivation of nAChR is responsible for both defects. Taken together, our findings support a new model of the regulation of chondrocyte differentiation through the non-neuronal cholinergic system in which AChE is absolutely necessary for the control of hypertrophic differentiation.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
Divisions: 10 Department of Biology
10 Department of Biology > Developmental Biology and Neurogenetics
Date Deposited: 05 Mar 2013 14:18
Last Modified: 20 Jul 2016 12:40
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33274
Referees: Layer, Prof. Paul G.
Refereed: 22 May 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3327
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