The development and molecular characterization of muscle spindles from wildtype and mutant mice

Muskelspindeln sind komplexe, dehnungsempfindliche Mechanorezeptoren, die aus vier bis zwölf spezialisierten Muskelfasern bestehen. Diese intrafusalen Muskelfasern werden im zentralen (äquatorialen) Bereich durch afferente Axone und in beiden peripheren (polaren) Regionen von efferenten γ-Motoneuronen innerviert. Über die Entwicklung von Muskelspindeln auf molekularer Ebene ist kaum etwas bekannt, vor allem was cholinerge Spezialisierung angeht. In meiner Doktorarbeit konnte ich zeigen, dass nikotinische Azetylcholinrezeptoren (AChR) an der neuromusklären Endplatte von γ-Motoneuronen sowie in der äquatorialen Region konzentriert sind. Auch die Enzyme, die für die Synthese, den Transport und den Abbau von Acetylcholin verantwortlich sind, (Cholinazetyltransferase (ChAT), Azetylcholinesterase (AChE) und vesikuläre Azetylcholintransporter (VAChT) wurden in der polaren und der äquatorialen Region gefunden. Diese Ergebnisse zeigen, dass sowohl die sensorischen afferenten- als auch die motorischen efferenten Neurone im Bereich des Kontaktes mit den Intrafusalfasern cholinerg spezialisiert sind. Während der postnatalen Entwicklung der neuromuskulären Endplatte verändert sich die Zusammensetzung der AChR Untereinheiten. Aus den γ-Untereinheit enthaltenden embryonalen AChRen werden ε-Untereinheit enthaltende adulte AChRen gebildet. Vergleichbare postnatale Veränderungen findet man auch an der neuromuskulären Endplatte der Extrafusalfasern. Im Gegensatz zu diesen Synapsen bleibt in den Intrafusalfasern die Expression der γ-Untereinheit im zentralen Bereich der Nervenfaser neben der Expression der ε-Untereinheit während der postnatalen Entwicklung erhalten. Diese fehlende gamma-zu-epsilon-Umschaltung wurde mit Hilfe von transgenen Mäusen bestätigt, bei denen die AChR γ-Untereinheiten mittels GFP genetisch markiert waren. Diese Ergebnisse zeigen, dass AChR γ-Untereinheiten in adulten intrafusalen Fasern dort konzentriert sind, wo sie Kontakt zu sensorischen Nervenendigungen haben. Agrin und der Agrin Rezeptor-Komplex - bestehend aus MuSK und LRP4 (LDL Rezeptor-beziehend Protein) - konnten in Muskelspindeln im Bereich der sensorischen und motorischen Innervation nachgewiesen werden. Außerdem sind Agrin und sein Rezeptor-Komplex in propriozeptiven Neuronen der Spinalganglien exprimiert, während nur Agrin und LRP4 in γ-Motoneuronen im Rückenmark zu finden sind. In Agrin knockout Mäusen ist keine AChR Aggregation in der Polarregion zu finden, was zu Defekten in der Ausbildung der gamma- Motoeneuronen Endplatten führt. Im Gegensatz dazu sind die AChR Aggregate im zentralen Teil der intrafusalen Fasern nicht betroffen. Muskelspezifische Überexpression von Mini-Agrin reicht aus, um die Bildung von synaptischen Spezialisierungen in den Endplatten von γ-Motoneuronen wiederherzustellen. Diese Ergebnisse zeigen eine ungewöhnliche AChR Reifung an den annulospiralen sensorischen Endigungen und bestätigen, dass Agrin, ein essenzieller Faktor für die Bildung der Endplatten von γ-Motoneuronen ist, während er nicht notwendig für die Aggregation von AChRs in der zentralen Region von intrafusalen Fasern zu sein scheint.