Universität zu Köln

Tjiang, Noah Song-Ming ORCID: 0000-0002-9957-0198 (2024). Mitochondrial Distribution and Dynamics at the Axon Initial Segment and their Influence on TAU-Trafficking. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Progressive impairment of neuronal cell polarity represents an established feature of many neurodegenerative diseases. Loss of polarity includes defective localization of the microtubule-associated protein TAU, which is normally an axonal protein. In Alzheimer's disease and related diseases called tauopathies, there is defective sorting of this protein into the somatodendritic compartment, where it triggers cascades that ultimately lead to neurodegeneration. These diseases impose a significant socio-economic and emotional burden on patients and society. Although it is known that impaired mitochondrial function can cause similar neurodegeneration, the role of mitochondria in tauopathies, especially concerning physiological TAU sorting, remains elusive. In this dissertation, we investigate the role of mitochondria in maintaining neuronal TAU polarity, with a particular focus on mitochondria in the "axon initial segment" (AIS). The AIS is critical for maintaining neuronal polarity, action potential generation and TAU sorting. Here, we used two different cell models: primary mouse neurons and human cortical neurons derived from induced pluripotent stem cells (iPSCs). We used an array of methods, including DNA-transfection, immunostaining, multi-channel-fluorescence microscopy as well as live-cell-imaging and compartment-specific-photomanipulation for our analyses. By inhibiting the respiratory chain, we impaired mitochondria at a global, "cell-wide" level. This effectively induced TAU missorting in a tauopathy-like manner, indicating the involvement of mitochondria in maintaining TAU polarity. Stabilization of microtubules via Taxol attenuated this induced TAU missorting, indicating that mitochondrial dysfunction induces TAU missorting via impaired microtubule dynamics. 10 Furthermore, we observed that the mitochondria in the AIS are unevenly distributed in parts, with a proximal cluster of mitochondria and a "zone of relative absence" in the central AIS. The mitochondria of the cluster were shown to be largely immobile and to participate only to a limited extent in axonal mitochondrial transport. Using a photoactivatable uncoupler of the respiratory chain and with the aid of live-cell-imaging, we were able to achieve spatially limited impairment of these mitochondria. We found a detectable increase in somatic TAU protein after local impairment of the AIS-mi-tochondria-cluster, consistent with processes in Alzheimer's disease and other tauopathies. This increase was specific to the AIS-mitochondria-cluster and did not occur with impairment of a comparable mitochondrial group at other locations. This highlights the important role of a previously undescribed cluster of mitochondria in the axon initial segment in maintaining neuronal polarity. Thus, we found that the physiological significant TAU sorting is dependent on mitochondrial integrity in the neurons and especially dependent on mitochondrial integrity at a specific location ("AIS-mitochondria-cluster"). This underscores the importance of mitochondria and the AIS as key players in the pathogenesis of society-altering diseases such as Alzheimer's disease and other tauopathies.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Mitochondriale Verteilung und Dynamik am Axon-Initialsegment und ihre Auswirkungen auf den TAU-Transport German
Translated abstract:	Abstract Language Die progressive Beeinträchtigung der neuronalen Zellpolarität ist ein etabliertes Merkmal vieler neurodegenerativer Erkrankungen. Unter Zellpolaritätsverlust zählt auch die fehlerhafte Lokalisation des Mikrotubuli-assoziierten Proteins TAU, welches normalerweise ein hauptsächlich axonales Protein ist. Insbesondere bei Morbus Alzheimer und den verwandten Tauopathien kommt es zur fehlerhaften Sortierung dieses Proteins in das somatodendritische Kompartiment. Dort löst es pathologische Signalkaskaden aus, die letztendlich zur Neurodegeneration führen. Diese Krankheiten stellen eine erhebliche sozioökonomische und emotionale Belastung für die Patienten, ihr Umfeld und die gesamte Gesellschaft dar. Obwohl eine beeinträchtigte Funktion der Mitochondrien ebenfalls ähnliche Neurodegeneration hervorrufen kann, ist die Rolle der Mitochondrien bei Tauopathien und insbesondere bei der physiologischen TAU-Sortierung unklar. In der vorliegenden Arbeit wird die Rolle von Mitochondrien für die Aufrechterhaltung der zellulären TAU-Polarität untersucht, mit einem besonderen Fokus auf Mitochondrien im „Axon-Initialsegment“ (AIS). Das AIS ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der neuronalen Polarität, für die Erzeugung von Aktionspotentialen und für die TAU-Sortierung. Hierbei verwendeten wir zwei verschiedene Zellmodelle: Primäre Mausneuronen und menschliche kortikale Neuronen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen abgeleitet wurden. Diese wurden mithilfe von Methoden wie DNS-Transfektion, Antikörper-Färbungen, Multi-Ka-nal-Fluoreszenz-Mikroskopie und „live-cell-imaging“ manipuliert und analysiert. Durch Inhibitoren der Atmungskette haben wir auf globaler (zellweiter) Ebene Mitochondrien beeinträchtigt. Dies führte effektiv zu einer Fehlsortierung von TAU in einer Tauopathien-ähn-lichen-Art und weist auf eine Beteiligung der Mitochondrien bei der Aufrechterhaltung der TAU-Polarität hin. Die Stabilisierung von Mikrotubuli durch Taxol milderte diese induzierte TAU-Fehlsortierung ab, was darauf hinweist, dass die die TAU-Fehlsortierung aus einer gestörten Mikrotubuli-Dynamik resultiert. Des Weiteren beobachteten wir, dass die Mitochondrien im AIS z.T. eine ungleichmäßige Verteilung aufweisen, mit einer proximalen Ansammlung („Cluster“) und einer nahezu Mitochond-rien-freien-Zone im zentralen AIS. Die Mitochondrien des Clusters zeigten sich als weitgehend unbeweglich und beteiligten sich nur begrenzt am axonalen Mitochondrien-Transport. Durch den Einsatz eines photoaktivierbaren Entkopplers der Atmungskette und mithilfe von Live-Cell-Imaging konnten wir – analog zu der globalen Beeinträchtigung – eine räumlich begrenzte Beeinträchtigung dieser Mitochondrien erreichen. 9 Wir stellten einen nachweisbaren Anstieg des somatischen TAU-Proteins nach lokaler Beeinträchtigung des AIS-Mitochondrien-Clusters fest, vereinbar mit den Prozessen in M. Alzheimer und anderen Tauopathien. Dieser Anstieg war spezifisch für den AIS-Mitochondrien-Cluster und trat nicht bei Beeinträchtigung einer vergleichbar großen Gruppe von Mitochondrien anderer Lokalisation auf. Dies verdeutlicht die wichtige Rolle in der Aufrechterhaltung der neuronalen Polarität eines zuvor nicht klassifizierten Clusters von Mitochondrien im Axon-Initialseg-ment. Somit ist die physiologisch bedeutsame TAU-Sortierung von der mitochondrialen Integrität im Allgemeinen und insbesondere von der mitochondrialen Integrität an einem spezifischen Ort abhängig ("AIS-Mitochondrien-Cluster"). Dies unterstreicht die Bedeutung der Mitochondrien und des AIS als Schlüsselakteure in der Pathogenese von gesellschaftsverändernden Tauopathien wie Morbus Alzheimer. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Tjiang, Noah Song-Ming tjiang.n@gmail.com orcid.org/0000-0002-9957-0198 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-744166
Date:	2024
Language:	English
Faculty:	Faculty of Medicine
Divisions:	Faculty of Medicine > Humangenetik > Institut für Humangenetik
Subjects:	Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Axon initial segment/AIS English Alzheimer's disease English Mitochondria English Microtubule English Neuron UNSPECIFIED
Date of oral exam:	9 October 2024
Referee:	Name Academic Title Wiesner, Rudolf Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Wirth, Brunhilde Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Briol, M Dr.
Funders:	Köln Fortune- Medizinische Fakultät
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/74416