Investigation of the role of Gαq/11 signaling in brain endothelial cells
Lade...
Datum
2025
Autor:innen
Betreuer:innen
Zeitschriftentitel
ISSN der Zeitschrift
Bandtitel
Verlag
Zusammenfassung
The aging population is projected to increase in the next decades posing new challenges for societies. Normal aging can severely affect the cognitive function of individuals even in the absence of overt pathologies but currently, the therapeutic options are limited. Therefore, based on scientific evidence that aging vasculature is linked to the development of age-dependent cognitive decline, deepening our knowledge of the cerebrovascular system could unravel new potential pharmacological targets.
The current study, aimed to understand the role of Gαq/11 proteins in the brain endothelium. Based on previous work, it was hypothesized that brain endothelial Gαq/11 proteins affect the cognitive function of aging mice. The hypothesis was tested with behavioral tests during the lifespan of aging mice with specific brain endothelial deletion of the genes that express the Gαq/11 proteins (Gαq/11beKO mice). The results provided evidence that the Gαq/11 proteins do not affect the memory function of young mice but have a significant effect on the cognitive function of aged mice.
Immunohistological stainings on aged mice revealed increased formation of string vessels in the brains of Gαq/11beKO mice compared to control mice. String vessels are structures positive for basement membrane markers and negative for endothelial cell markers presumably resulting from collapsed vessels. Interestingly, no significant differences were found in the other parameters investigated such as neuroinflammation, neuronal and synaptic density, myelination, or blood-brain barrier (BBB) leakage.
Based on literature research and previous findings of our group, shear stress was identified as a possible factor to be involved in the formation of string vessels. Mechanical stimulation of primary mouse brain endothelial cells (MPBECs) was found to induce intracellular calcium ([Ca2+]i) increase and activation of the NF-κB pathway independent from the Gαq/11 pathway. Furthermore, long-term cultivation of MPBECs under flow was identified to lead to significant morphological and proteomic changes compared to static conditions. Finally, based on the proteomic analysis, which revealed that shear stress induces angiogenic pathways in MPBECs, it was found that thrombomodulin (THBD) as well as Gαq/11 proteins are involved in in vitro migration and proliferation respectively.
All in all, the current study provides evidence that the brain endothelial Gαq/11 signaling is important for cognitive function in aged mice . Future work could shed light on the exact underlying mechanisms of the observed phenotype, which could probably involve string vessel-induced hypoxia. Finally, we provide a comprehensive proteomic database that could be further exploited to unravel novel mechanosensory targets.
Beschreibung
Es wird prognostiziert, dass die alternde Bevölkerung in den nächsten Jahren zunehmen wird, was neue Herausforderungen für die Gesellschaften mit sich bringt. Der normale Alterungsprozess kann die kognitiven Funktionen des Einzelnen stark beeinträchtigen, selbst wenn keine offensichtlichen Erkrankungen vorliegen, doch die therapeutischen Möglichkeiten sind derzeit begrenzt. Da wissenschaftlich erwiesen ist, dass die Alterung der Gefäße mit der Entwicklung des altersabhängigen kognitiven Defizits zusammenhängt, könnte die Vertiefung unseres Wissens über das zerebrovaskuläre System neue potenzielle pharmakologische Angriffspunkte erschließen.
Ziel der aktuellen Studie war es, die Rolle der Gαq/11-Proteine im Gehirnendothel zu verstehen. Auf der Grundlage früherer Arbeiten, wurde die Hypothese, dass der Gαq/11-Signalweg im Gehirnendothel die kognitive Funktion alternder Mäuse beeinflusst, aufgestellt. Die Hypothese wurde durch Verhaltenstests während der Lebensspanne alternder Mäuse mit spezifischer gehirnendothelialer Deletion der Gene, die die Gαq/11-Proteine codieren (Gαq/11beKO-Mäuse), untersucht. Die Ergebnisse lieferten Hinweise darauf, dass die Gαq/11-Proteine die Gedächtnisfunktion junger Mäuse nicht beeinträchtigen, aber einen signifikanten Einfluss auf die kognitive Funktion gealterter Mäuse haben.
Immunhistologische Färbungen an gealterten Mäusen zeigten eine stärkere Bildung von sogenannten String Vessels im Gehirn von Gαq/11beKO-Mäusen im Vergleich zu Kontrollmäusen. String Vessels sind Strukturen, die positiv für Basalmembranmarker und negativ für Endothelzellmarker sind, was vermutlich auf kollabierte Gefäße zurückzuführen ist. Interessanterweise wurden keine signifikanten Unterschiede bei den anderen untersuchten Parametern wie Neuroinflammation, neuronale und synaptische Dichte, Myelinisierung oder Bluthirnschranken-Dichtigkeit (BBB) gefunden.
Auf der Grundlage von Literaturrecherchen sowie früheren Ergebnissen unserer Gruppe, wurde der durch fließendes Blut verursachte Schubspannung am Endothel als ein möglicher Faktor identifiziert, der an der Bildung von String Vessels beteiligt sein könnte. Es wurde festgestellt, dass die mechanische Stimulation von primären Gehirnendothelzellen aus Mäusen (MPBECs) zu einem Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration ([Ca2+]i) und zur Aktivierung des NF-κB-Signalwegs unabhängig vom Gαq/11-Signalweg führt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Langzeitkultivierung von MPBECs unter Strömungsbedingungen im Vergleich zu statischen Bedingungen zu signifikanten Veränderungen der Morphologie und auf Proteinebene führt. Schließlich wurde auf der Grundlage der Proteomanalyse, die ergab, dass Schubspannung angiogene Signalwege in MPBECs induziert, festgestellt, dass sowohl Thrombomodulin (THBD) als auch Gαq/11-Proteine an der In vitro-Migration bzw. - Proliferation beteiligt sind.
Alles in allem, liefert diese Arbeit Beweise dafür, dass der endotheliale Gαq/11-Signalweg im Gehirn für die kognitive Funktion bei gealterten Mäusen wichtig ist . Zukünftige Arbeiten könnten die genauen Mechanismen, die dem beobachteten Phänotyp zugrunde liegen, aufklären, wobei es sich wahrscheinlich um eine durch die String Vessels induzierte Hypoxie handeln könnte. Schließlich stellen wir eine umfassende Proteomdatenbank zur Verfügung, die weiter genutzt werden könnte, um neue mechanosensorische Ziele zu entschlüsseln.
Schlagwörter
aging, cognitive decline, cerebrovascular system, Gαq/11 proteins, string vessels, blood-brain barrier, shear stress, endothelial cell signaling, intracellular calcium, NF-κB pathway, thrombomodulin, proteomics, angiogenesis, mechanosensation, Barnes maze
Zitierform
Institut/Klinik
Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie