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The synaptic cell adhesion molecules SynCAMs are involved in early sensory axon pathfinding


Frei, Jeannine Andrea. The synaptic cell adhesion molecules SynCAMs are involved in early sensory axon pathfinding. 2014, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Summary Neural circuits are the basic units of a functional nervous system. For their formation multiple, well-orchestrated processes are required, including neuronal migration, axon elongation, axon guidance, synapse formation and maintenance, as well as synaptic plasticity. The synaptic cell adhesion molecules SynCAMs are members of the Ig-superfamily of cell adhesion molecules (IgSF-CAMs). Originally, they have been identified at the synapse, promoting synaptogenesis and regulating synaptic plasticity. Additionally they have been implicated in myelination of axons in the central as well as the peripheral nervous system. In addition to the function of SynCAMs in these late stages of neural circuit formation, they were recently implicated in earlier steps of development, namely in the guidance of post- crossing commissural axons at the midline of the chicken spinal cord.
In the present study, we could show that the function of SynCAMs in early axon guidance depends on their complex interaction pattern, including homo- and heterophilic cis- as well as homo- and heterophilic trans-interactions. We suggest that the specific composition of the SynCAM complexes elicits different intracellular responses in axons and growth cones. Indeed, changing the expression levels of SynCAMs resulted in a disorganization of sensory axonal networks due to altered axon-axon contacts. In agreement with a function of SynCAMs in regulating selective fasciculation between sensory axons, in vivo perturbation of these molecules by in ovo RNAi resulted in aberrant pathfinding of sensory afferents in the dorsal spinal cord of the chicken embryo. Taken together, we provide strong evidence that SynCAMs are required for early neural circuit formation. Thus, SynCAMs not only contribute to the establishment of a functional nervous system by mediating synaptogenesis and myelination but also by ensuring correct axon guidance. Neuronale Netzwerke sind die Grundbausteine eines funktionierenden Nervensystems. Deren Entstehung ist abhängig von vielen, koordinierten Prozessen, wie zum Beispiel der Migration von Neuronen, dem Wachstum und der Navigation von Axonen aber auch der Bildung, Erhaltung und Plastizität der Synapsen. Die SynCAMs sind eine Gruppe von Proteinen, die zur Superfamilie der Immunoglobulin-ähnlichen Zelladhäsionsmoleküle gehört. SynCAMs wurden erstmals als synapseninduzierende Moleküle identifiziert. Zudem wurde ihnen eine Funktion in der Regulation der synaptischen Plastizität und in der Myelinisierung von zentralen und peripheren Axonen zugeschrieben. Dies sind Prozesse, die spät in der Entwicklung des Nervensystems stattfinden. Im Gegensatz zu diesen späten Funktionen wurde kürzlich gezeigt, dass SynCAMs schon viel früher als Wegweisermoleküle für die Navigation von post-kommissuralen Axonen entlang der Längsachse des sich entwickelnden Rückenmarks benötigt werden.
In der vorliegenden Studie konnten wir zeigen, dass die axonale Navigation vom komplexen Interaktionsmuster der SynCAMs abhängig ist. SynCAMs können sowohl homo- als auch heterophil in cis- und in trans-Orientierung miteinander interagieren. Die spezifische Zusammensetzung der SynCAM-Komplexe könnte kontrollieren, welche intrazellulären Signale in Axonen und deren Wachstumskegeln ausgelöst werden und so deren Verhalten bestimmen. Tatsächlich fanden wir ein verändertes Verhalten in der Ausbildung von Kontakten zwischen sensorischen Axonen, welches aghängig von der Expression der SynCAMs war. Übereinstimmend mit den Daten der funktionellen in vivo Analyse deutete dies darauf hin, dass SynCAMs die selektive Faszikulierung zwischen sensorischen Axonen regulieren. Sensorische Axone waren unfähig ihren Weg im dorsalen Rückenmark des Hühnerembryos zu finden, wenn die Expression der SynCAM Moleküle experimentell verändert wurde. Die Daten dieser Studie beweisen, dass SynCAMs bereits in frühen Prozessen der Netzwerkentwicklung eine wichtige Rolle spielen. Demzufolge beteiligen sich SynCAMs nicht nur an Synapsenbildung und Myelinisierung, sondern gewährleisten auch, dass Axone ihr richtiges Zielgewebe finden. So tragen diese Moleküle auf verschiedenen Entwicklungsebenen zur Entstehung des Nervensystems bei.

Abstract

Summary Neural circuits are the basic units of a functional nervous system. For their formation multiple, well-orchestrated processes are required, including neuronal migration, axon elongation, axon guidance, synapse formation and maintenance, as well as synaptic plasticity. The synaptic cell adhesion molecules SynCAMs are members of the Ig-superfamily of cell adhesion molecules (IgSF-CAMs). Originally, they have been identified at the synapse, promoting synaptogenesis and regulating synaptic plasticity. Additionally they have been implicated in myelination of axons in the central as well as the peripheral nervous system. In addition to the function of SynCAMs in these late stages of neural circuit formation, they were recently implicated in earlier steps of development, namely in the guidance of post- crossing commissural axons at the midline of the chicken spinal cord.
In the present study, we could show that the function of SynCAMs in early axon guidance depends on their complex interaction pattern, including homo- and heterophilic cis- as well as homo- and heterophilic trans-interactions. We suggest that the specific composition of the SynCAM complexes elicits different intracellular responses in axons and growth cones. Indeed, changing the expression levels of SynCAMs resulted in a disorganization of sensory axonal networks due to altered axon-axon contacts. In agreement with a function of SynCAMs in regulating selective fasciculation between sensory axons, in vivo perturbation of these molecules by in ovo RNAi resulted in aberrant pathfinding of sensory afferents in the dorsal spinal cord of the chicken embryo. Taken together, we provide strong evidence that SynCAMs are required for early neural circuit formation. Thus, SynCAMs not only contribute to the establishment of a functional nervous system by mediating synaptogenesis and myelination but also by ensuring correct axon guidance. Neuronale Netzwerke sind die Grundbausteine eines funktionierenden Nervensystems. Deren Entstehung ist abhängig von vielen, koordinierten Prozessen, wie zum Beispiel der Migration von Neuronen, dem Wachstum und der Navigation von Axonen aber auch der Bildung, Erhaltung und Plastizität der Synapsen. Die SynCAMs sind eine Gruppe von Proteinen, die zur Superfamilie der Immunoglobulin-ähnlichen Zelladhäsionsmoleküle gehört. SynCAMs wurden erstmals als synapseninduzierende Moleküle identifiziert. Zudem wurde ihnen eine Funktion in der Regulation der synaptischen Plastizität und in der Myelinisierung von zentralen und peripheren Axonen zugeschrieben. Dies sind Prozesse, die spät in der Entwicklung des Nervensystems stattfinden. Im Gegensatz zu diesen späten Funktionen wurde kürzlich gezeigt, dass SynCAMs schon viel früher als Wegweisermoleküle für die Navigation von post-kommissuralen Axonen entlang der Längsachse des sich entwickelnden Rückenmarks benötigt werden.
In der vorliegenden Studie konnten wir zeigen, dass die axonale Navigation vom komplexen Interaktionsmuster der SynCAMs abhängig ist. SynCAMs können sowohl homo- als auch heterophil in cis- und in trans-Orientierung miteinander interagieren. Die spezifische Zusammensetzung der SynCAM-Komplexe könnte kontrollieren, welche intrazellulären Signale in Axonen und deren Wachstumskegeln ausgelöst werden und so deren Verhalten bestimmen. Tatsächlich fanden wir ein verändertes Verhalten in der Ausbildung von Kontakten zwischen sensorischen Axonen, welches aghängig von der Expression der SynCAMs war. Übereinstimmend mit den Daten der funktionellen in vivo Analyse deutete dies darauf hin, dass SynCAMs die selektive Faszikulierung zwischen sensorischen Axonen regulieren. Sensorische Axone waren unfähig ihren Weg im dorsalen Rückenmark des Hühnerembryos zu finden, wenn die Expression der SynCAM Moleküle experimentell verändert wurde. Die Daten dieser Studie beweisen, dass SynCAMs bereits in frühen Prozessen der Netzwerkentwicklung eine wichtige Rolle spielen. Demzufolge beteiligen sich SynCAMs nicht nur an Synapsenbildung und Myelinisierung, sondern gewährleisten auch, dass Axone ihr richtiges Zielgewebe finden. So tragen diese Moleküle auf verschiedenen Entwicklungsebenen zur Entstehung des Nervensystems bei.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Stoeckli Esther, Zimmermann Dieter
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2014
Deposited On:02 Apr 2019 14:38
Last Modified:15 Apr 2021 15:01
Number of Pages:139
OA Status:Green

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