Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4432
Main Title: The role of the tumour suppressor Nf1 in growth and metabolism of skeletal muscle cells
Translated Title: Die Rolle des Tumorsuppressors Nf1 bei Wachstum und Stoffwechsel skeletaler Muskelzellen
Author(s): Franke, Julia
Advisor(s): Stricker, Sigmar
Referee(s): Lauster, Roland
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Rolle des Proteins Neurofibromin in skelettalen Muskelzellen zu beschreiben. Ein Verlust von Neurofibromin ist die Ursache von Neurofibromatose I (NF1) - eine der häufigsten Erbkrankheiten weltweit. Die bekanntesten Krankheitssymptome sind Tumore neuroektodermalen Ursprungs. Eine große Zahl der Patienten leidet darüber hinaus an schweren Defekten des muskuloskelettalen Systems. Diese Defekte treten häufig bereits im Kindesalter auf und führen zu Knochendeformationen, einer verminderten Knochendichte und einer erhöhten Prädisposition für Frakturen. Außerdem erhöht eine Reduktion von Muskelkraft und Koordinationsfähigkeit das Risiko für Stürze und Verletzungen und beeinträchtigt die Patienten zusätzlich. Neurofibromatose I wird durch Mutationen im NF1-Gen hervorgerufen. Dieses Gen kodiert für das RAS-GTPase-aktivierende Protein Neurofibromin, welches als Tumorsupressor und Histogenese-Kontrollgen beschrieben wurde. Tumor- und Knochenentwicklung stehen im Mittelpunkt der NF1-Forschung. Die Ursachen verringerter Muskelleistungen wurden bisher allerdings nicht untersucht. In Anbetracht der skelettalen Missbildungen stellt sich jedoch die Frage, ob nicht skelettale und muskuläre Defekte zusammen das klinische Bild hervorrufen. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Erforschung des NF1-Pathomechanismus in Muskelzellen. Dafür wurden drei Mausmodelle mithilfe einer konditionellen Knockout-Technik erzeugt. Die Technik erlaubte eine Muskelzell-spezifische Deletion des Nf1-Gens zu ausgewählten Zeitpunkten der Embryonalentwicklung. Im ersten Model (Nf1Lbx1) wurde Nf1 in Muskel-Vorläuferzellen ausgeschaltet. Im zweiten Model (Nf1Myf5) sind Myoblasten und im dritten Model (Nf1HSA) Myotuben vom Nf1-Knockout betroffen. Alle Modelle wurden mithilfe von histologischen, immunochemischen, molekularbiologischen und biochemischen Methoden hinsichtlich der vier Phasen der Muskelentwicklung - embryonale, fetale, perinatale und adulte Myogenese - untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass ein Verlust von Nf1 ein reduziertes Muskelfaser-Wachstums hervorruft. Diese Reduktion konnte erstmalig im fetalen Stadium der Myogenese bei Tag E18.5 detektiert werden. Sie wird durch den Nf1-Verlust in Muskel-Vorläuferzellen beziehungsweise Myoblasten, nicht jedoch in Myotuben, ausgelöst. Die Größenreduktion der Muskelfasern geht hauptsächlich auf eine Verminderung der myonukleären Domäne (zellulärer Proteingehalt pro Zellkern) zurück. Der Verlust von Nf1 löst zudem einen transienten Anstieg der Zahl Pax7+ Vorläuferzellen im fetalen Stadium aus. Nach der Geburt nimmt deren Zahl wiederum verstärkt ab, wahrscheinlich durch eine Erschöpfung des Zellpools. Dadurch verringert sich die Anzahl sogenannter Satellitenzellen, residenter Muskelstammzellen. Es wurde ebenfalls gezeigt, dass Nf1 maßgeblich an der Regulation von Muskelfaser-Identität und metabolischen Parametern beteiligt ist. Die Untersuchung von Nf1- und Ras-assoziierten Signalwegen ergab eine erhöhte Aktivierung der Akt-, Mek/Erk- und Nfat-Signalkaskaden durch einen Nf1-Knockout. Eine Reihe von transkriptionellen Zielgenen dieser Signalwege konnte als möglicher Auslöser der beschriebenen Wachtums- und Metabolismusdefekte identifiziert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass Nf1 wichtige Funktionen in skeletalen Muskelzellen übernimmt, dies schließt die Differenzierung von Pax7+ Vorläuferzellen, das Faserwachstum und die Regulation metabolischer Prozesse ein. Die hier etablierten Mausmodelle rekapitulieren Aspekte des Neurofibromatose I-Krankheitsbildes. Sie sind daher geeignete Forschungsobjekte für weitere Studien zum Pathomechanismus sowie für die Durchführung therapeutischer Tests.
The aim of this work was to describe the role of the protein neurofibromin in skeletal muscle cells. Loss of neurofibromin function causes neurofibromatosis I (NF1) - one of the most common genetic disorders worldwide. Although the most prominent symptoms of NF1 are tumours of neuroectodermal origin, a high fraction of patients suffers from pathological changes of the musculoskeletal system. These symptoms mostly appear in early childhood and include bone malformations, decreased bone density and a high predisposition to fractures. An additional reduction of muscular strength and coordination skills increases the risk of falls and injuries which altogether contributes to tremendous restrictions of patients' health and life quality. Neurofibromatosis I is caused by mutations in the gene NF1. The gene encodes for the RAS GTPase activating protein neurofibromin, which is described as a tumour suppressor and histogenesis control gene. Although considerable research was performed on tumourgenesis and skeletogenesis in NF1 patients, the aspect of putative muscular defects has not been investigated yet. However, in respect to skeletal malformations it seems most likely that a combination of skeletal and muscular defects causes the clinical picture. Therefore, basic pathomechanisms of NF1 in muscle cells were studied in this work. For this purpose, three mouse models were generated using a conditional knockout approach allowing a muscle cell specific Nf1 knockout. In each model Nf1 was deleted in a specific stage of embryonic development. In the first model (Nf1Lbx1) Nf1 was deleted in muscle precursor cells. In the second model (Nf1Myf5) myoblasts were targeted and in the third model (Nf1HSA) Nf1 was deleted in myotubes. The mice were analysed using histological, immunochemical, molecular biological and biochemical methods. Thereby, the four phases of muscle development were analysed: embryonic, fetal, perinatal and adult myogenesis. It could be shown that loss of Nf1 causes a decrease in muscle fibre growth. This decrease was first detected in the fetal phase of myogenesis at embryonic day E18.5. It was detected only if Nf1 was deleted in precursor cells or myoblasts, but not if deleted in myotubes. The fibre size reduction was mainly due to reduction of the myonuclear domain (cellular protein content per nucleus). Furthermore, it was detected that the number of Pax7+ progenitor cells showed a transient increase in the fetal stage upon deletion of Nf1. However, postnatally the Nf1 deletion resulted in strong depletion of Pax7+ progenitor cell numbers. That leads to a diminished cell pool of muscle stem cells, so called satellite cells, which are responsible for muscle regeneration. Also, it seems that Nf1 has a role in fibre type determination and regulation of metabolic parameters as loss of Nf1 caused a shift towards oxidative fibre characteristics. Investigations of molecular pathways in muscle tissue showed that deletion of Nf1 leads to significant over-activation of the Ras downstream components Erk/Mek, Akt and Nfat as well as transcriptional upregulation of their downstream targets which might be responsible for the detected growth and metabolism defects. The results show that Nf1 has several roles in skeletal muscle cells, including differentiation of Pax7+ precursor cells, fibre growth and regulation of metabolic characteristics. The described mouse models recapitulated aspects of neurofibromatosis I associated muscle defects like the decrease of muscle size. Therefore, they are suitable for further studies and therapy testing in the process of neurofibromatosis I research.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-65605
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4729
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4432
Exam Date: 21-Nov-2014
Issue Date: 19-Aug-2015
Date Available: 19-Aug-2015
DDC Class: 570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): Muskelentwicklung
Neurofibromatose I
Ras-Signalweg
Tumor-Suppressor
Myogenesis
Neurofibromatosis I
Ras signalling
Tumour suppressor
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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