Zur Rolle des Sonic Hedgehog Aktivierungsweges in der Entwicklung des humanen fetalen Gehirns

Abstract

Der Sonic Hedgehog-Signalweg spielt eine zentrale Rolle in der embryonalen Entwicklung des zentralen Nervensystems. Beispielsweise reguliert Shh die Zellproliferation, die Migration sowie die Steuerung der Apoptose. Bislang existieren jedoch kaum Daten über die Verteilung von Sonic Hedgehog (Shh) und seinen Rezeptor- und Signalmolekülen im sich entwickelnden normalen humanen ZNS. Hieraus resultiert das Ziel der vorliegenden Arbeit, Shh selbst, sowie Patched, Smoothened, Gli1, Gli2 und Gli3 in ihrer räumlich-zeitlichen Verteilung im humanen ZNS darzustellen. Hierzu wurden 22 fetale Groß- und Kleinhirne zwischen der 12. und 28. Schwangerschaftswoche mittels Immunhistochemie untersucht. Alle sechs untersuchten Moleküle lassen sich in allen cerebellären, als auch neokortikalen Rindenschichten des sich entwickelnden fetalen Gehirns darstellen. In den fetalen Rindenschichten des Großhirnes lässt sich eine starke Immunreaktivitätsrate für alle untersuchten Signalmoleküle in den ventrikelnahen, proliferationsreichen Rindenschichten zeigen. Im zeitlichen Verlauf konnte ein Abfall (für Shh signifikant) der Immunreaktivitätsintensität des Signalweges in den proliferationsreichen Zonen und zugleich ein Anstieg in den ventrikelfernen Schichten beobachtet werden. Bei der Betrachtung der humanen Kleinhirnentwicklung zeichnet sich die Äußere Körnerzellschicht, als Proliferationszone, durch eine starke Immunreaktivitätsrate aller untersuchten Signalmoleküle aus. Im zeitlichen Verlauf zeigen sich im Kleinhirn ebenfalls eine Abnahme der Frequenz in der proliferationsreichen Rindenschicht und eine ansteigende Immunreaktivitätsintensität in der Inneren Körnerzellschicht. In der hier vorliegenden Arbeit kann sowohl in der Großhirnrinde, als auch in der Kleinhirn-rinde, ein Shh-Gradient dargestellt werden. Dies könnte somit Hinweis auf ein analoges, Gradienten gesteuertes Migrationsverhalten geben. Die Zunahme der Immunreaktivitäts-rate in der Äußeren Körnerzellschicht könnte als mitogene Wirkung von Shh auf die Körnerzellvorläufer gedeutet werden und würde somit bei unzureichender Inaktivierung, eine Grundlage für die Entstehung des Shh-Aktivierungsweg assoziierten Medulloblastoms bieten. Hieraus ergibt sich die enorme Wichtigkeit der genauen Kenntnis des Shh-Aktivierungsweges für das Verständnis der physiologischen Hirnentwicklung sowie pathologischer Veränderungen.

The Sonic Hedgehog pathway plays an important role in cell proliferation, cell migration and apoptosis of the embryonic mammalian CNS. Until now, almost no data on the key players of the Sonic Hedgehog (Shh) pathway exists in the context of spatio-temporal patterns of the normal human fetal brain. Against this background we investigated 22 human fetal brain specimens (between the 12th and 28th week of gestation) for Shh, Patched, Smoothened, Gli1, Gli2 and Gli3 expression by immunohistochemistry. All six investigated proteins were expressed throughout the developing human fetal telencephalic and cerebellar cortical layers. In the telencephalon we were able to show a high expression in layers which have a high proliferation rate. During maturation we found a decrease of the signal in the ventricular- and subventricular zone, but also an increase of the immunoreactivity in the developing cortical plate. In the cerebellum the strongest signal was detected on cerebellar external granule layer cells. As brain development continued, there was a drop-off of the immunoreactivity at the external granule layer, but an ascent of the staining intensity in the inner granule layer. We were able to show that there is a Shh-gradient in the telencephalon, as well as in the cerebellum. This leads to the hypothesis, that there could be a gradient dependent migration behavior. The increased levels of immunoreactivity at the external granule layer could also be explained by the mitogenic influence of Shh on the granule precursor cells. The insufficient inhibition of the Shh pathway is likely to be one step in the development of the Shh-associated Medulloblastoma. The knowledge of these factors in the physiologically developing brain is therefore essential for both, the understanding of CNS pathology and the normal ontogenesis.