• No results found

The role of astrocytic GFAP-­‐isoforms in the cellular response following mechanical injury

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "The role of astrocytic GFAP-­‐isoforms in the cellular response following mechanical injury"

Copied!
30
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

The  role  of  astrocytic  GFAP-­‐isoforms  in  the  cellular  

response  following  mechanical  injury

 

 

Research  report  

T.A.O.  Muntslag  

21/05/2014  

 

Supervised  by:  

O.M.J.A.  Stassen  

 

 

Abstract  

 

Our  aim  was  to  determine  the  role  of  astrocytic  GFAP-­‐isoforms  in  the  cellular  

response  following  traumatic  brain  injury  (TBI).  In  vitro  modelling  of  TBI  was  done  

with  a  cell  injury  controller,  which  uses  a  short  air-­‐induced  strain  resulting  in  

mechanical  injury.  A  human  glioblastoma  cell  line  (U251)  was  transduced  to  

selective  overexpress  GFAP-­‐α,  GFAP-­‐δ  or  a  mCherry  control.  Subsequent  genetic  

changes  were  assessed  with  qPCR,  allowing  us  to  study  the  molecular  changes  in  

astrocytes  after  mechanical  injury.  We  hypothesized  that  the  isoforms  had  a  

differential  cellular  response.  Our  initial  stretch  severity  resulted  in  only  minor  

cellular  changes;  therefore  a  maximization  test  was  performed  in  order  to  increase  

the  cellular  effects.  Although  our  model  did  not  show  any  TBI-­‐characteristic  gliosis  

and  other  subsequent  changes,  in  both  medium  and  severe  stretch  protocol  two  

genes  were  consistently  upregulated  in  our  30-­‐minutes  stretch  condition  (FOS,  

EGR1).  The  upregulation  of  FOS  and  EGR1  corresponds  to  previous  experiments  in  

both  rodent  and  human  tissue;  however,  no  isoform  dependent  cellular  response  

differences  were  found  in  our  study.  Future  calcium  imaging  studies,  and  

alternative  model  cell  lines,  might  provide  more  insights  into  the  role  of  GFAP-­‐

(2)

Introduction  

 

Traumatic  brain  injury  (TBI)  is  one  of  the  most  common  causes  of  injury-­‐related  brain  

dysfunction  with  a  range  of  psychological  and  societal  problems  (Maas  et  al.,  2008;  Rapoport   et  al.,  2012).  Although  the  largest  proportion  of  patients  has  only  minor  injuries  like  

temporary  mild-­‐cognitive  impairment,  some  require  considerable  specialist  care  in  order  to   deal  with  their  lasting  disability.    

 

It  is  estimated  that  in  the  US,  in  the  year  2000,  $80  billion  was  spend  for  medical  treatment   with  an  estimated  $326  billion  for  lost  productivity  (Corso  et  al.,  2006).  Even  with  these   numbers  there  is  an  underestimation  of  the  scope  of  problem,  as  untreated/undiagnosed   individuals  are  not  included  in  the  study.  Furthermore,  TBI  survivors  have  a  higher  risk  of   Alzheimer’s  disease,  stroke  and  epileptic  seizures,  which  are  each  considerable  problems  on   their  own  (Sivanandam  et  al.,  2012;  James  et  al.,  2013;  Christensen  et  al.,  2009).  Knowledge   of  TBI  pathology  might  help  prevent  the  development  of  further  neurodegeneration  and   subsequent  loss  of  function.  Central  to  any  therapeutical  intervention  of  the  sequela  of  TBI  is   knowledge  about  the  cellular  mechanisms  in  response  to  the  initial  injury.  

 

On  a  cellular  level  TBI  is  characterized  by  cell  death,  synaptic  degeneration,  mitochondrial   dysfunction,  inflammation  and  ischemia  by  a  reduction  in  the  small  vasculature  (Floyd  et  al.,   2007;  Werner  and  Engelhardt,  2007).  However,  all  of  these  detrimental  effects  are  

secondary  to  the  initial  mechanical  injury  caused  by  the  fall,  blow,  or  other  external  force   mediators.  The  physical  distortion  of  the  cell’s  cytoskeleton  is  the  initial  responder  to  injury,   which,  according  to  the  mechanochemical  control  hypothesis,  is  a  determining  factor  for  the   cell’s  function  (Ingber  et  al.,  2008).  The  cytoskeleton  consists  of  three  separate,  although   interrelated,  categories  of  filament  systems:  microfilaments,  microtubules  and  intermediate   filaments  (IFs).    

 

Although  most  research  has  gone  into  neuronal  alterations  following  TBI,  astrocytes  are  now   regarded  as  a  heterozygous  cell  group  important  for  energy  metabolism,  neurotransmitter   clearance,  defense  against  oxidative  stress  and  modulation  of  synaptic  strength  (Matyash   and  Kettenmann,  2010;  Allaman  et  al.  2011).  These  cells  respond  to  TBI  by  hypertrophy,   proliferation  and  an  underlying  change  in  gene  expression  (Myer  et  al.,  2006).  Moreover,   recent  studies  have  implicated  astrocytic  IFs  in  TBI  pathology.    

(3)

Glial  fibrillary  acidic  protein  (GFAP)  –astrocyte  type  III  IF-­‐  mediates  reactive  gliosis  in   response  to  TBI  (Middeldorp  and  Hol,  2011;  Pekny  and  Pekna,  2004;  Chiu  and  Goldman,   1985).  Gliosis  is  believed  to  have  an  early  protective  role  by  allowing  a  compartmentalization   of  pathology  after  injury,  although  it  can  prove  detrimental  when  gliosis  becomes  chronic   and  post-­‐insult  functional  reorganization  is  prevented  (Laird  et  al.,  2008).  Moreover,  it  has   been  suggested  that  presence  of  GFAP  increases  resistance  to  mechanical  injury  (Pekny  and   Pekna,  2004;  Myer  et  al.,  2006).  

 

Apart  from  the  role  of  GFAP  in  gliosis  following  TBI,  there  is  limited  knowledge  in  regard  to   the  responses  of  the  isoforms.  The  canonical  isoform  of  GFAP  is  GFAP-­‐  α,  as  it  is  the  most   abundant  and  widespread  isoform  among  the  7  known  in  humans  (Middeldorp  and  Hol,   2011).  Most  studies  that  report  on  GFAP  do  not  distinguish  among  the  isoforms,  which   suggests  that  any  reported  changes  most  often  relate  to  GFAP-­‐α  (Reeves  et  al.,  1989;   Middeldorp  et  al.,  2011).  Another  isoform  of  interest  is  GFAP-­‐δ.  GFAP-­‐δ  differs  from  GFAP-­‐α   by  having  interchanged  exons  8  and  9  with  exon  7+/7a,  thereby  shortening  the  transcript   and  giving  it  different  assembly  characteristics  (Mamber  et  al.,  2012;  Singh  et  al.,  2005).  A   relative  increase  of  this  shortened  isoform  above  10%  impaired  GFAP-­‐filament  formation,   causing  a  complete  collapse  of  the  IF-­‐network  with  GFAP  in  a  juxtanuclear  position  (Perng  et   al.,  2008).  Considering  their  putative  role  in  injury  resistance  and  the  opposing  assembly   features,  it  is  expected  that  a  cell  with  an  overexpression  of  either  GFAP-­‐α  or  GFAP-­‐δ  has  a   differential  mechanical  injury  response.  In  addition,  GFAP-­‐δ  is  a  neuronal  stem  cell  marker  in   humans,  whereas  its  expression  may  be  central  to  all  astrocytes  in  mice  (Mamber  et  al.,   2012;  Roelofs  et  al.,  2005).    

 

Mechanical  stimulation/stress/injury  can  be  modeled  in  vitro  via  multiple  approaches.   Application  of  fluid-­‐shear  stress,  mechanical  or  vacuum  induced  radial/uniaxial  stretch  or   magnetic  microbead  manipulation  of  integrins  are  all  examples  (Ellis  et  al.,  1995;  Cui  et  al.   2004;  Park  et  al.  2004;  Ingber,  2008).  Moreover,  studies  differentiate  from  each  other  by   applying  either  a  cyclic,  chronic  or  transient  induction  of  injury  burst  (Ellis  et  al.,  2004;  Cui  et   al.,  2004;  Park  et  al.,  2004).    

     

(4)

In  order  to  study  the  isoform  specific  role  in  the  cellular  response  to  mechanical  injury,  we   use  an  endogenously  low  GFAP-­‐expressing  astrocyte  cell  line  (U251  human  glioblastoma)  to   selectively  overexpress  the  α-­‐  and  δ-­‐isoforms,  or  mCherry  –  a  red  monomer  for  control   transduction  (mCh).  These  cells  are  cultured  on  a  laminin  peptide  coated,  elastic  membrane-­‐   and  subjected  to  a  strain  stress  by  a  short  burst  of  air,  as  described  by  Ellis  and  colleagues   (1995).  Although  each  model  has  its  merits,  by  choosing  a  model  with  a  transient  radial   injury  we  have  chosen  a  model  with  similarities  to  the  effects  of  blast  induced  TBI  (Chen  et   al.,  2009).  

 

An  initial  microarray  analysis  of  stretched  astrocytes  resulted  in  only  minor  cellular  effects,   and  was  without  any  differences  between  the  cellular  response  of  GFAP-­‐α-­‐  and  δ;  suggestive   of  an  injury  induction  lacking  in  and/or  a  weak  response  of  these  cells  to  injury.  A  Gene   Ontology  (GO)-­‐analysis  of  the  array  data  did  indicate  that  the  genes,  that  were  affected,  are   associated  with  apoptosis,  autophagy  and  mitochondrial  dysfunction.  A  subsequent  

Ingenuity  analysis  of  these  genes  located  them  to  the  mitochondrial  respiratory  chain,  most   predominantly  in  complexes  I,  III  and  IV.  The  transfer  of  electrons  through  this  chain,  and   the  subsequent  movement  of  protons  across  the  intermembrane  of  the  mitochondria,  is  the   main  catalyser  for  cellular  ATP  production.  Therefore,  any  problems  in  this  respiratory  chain   could  cause  mitochondrial  dysfunction,  and  a  decreased  ability  to  produce  ATP  in  response   to  energy  demands  (Brand  et  al.,  2011).  Mitochondrial  dysfunction  is  concomitant  with  an   increased  production  of  reactive  oxygen  species  (ROS),  which  in  turn  is  able  to  initiate   further  mitochondrial  decay  in  a  downward,  self-­‐propagating  pathway,  leading  up  to   apoptosis  (Lin  et  at  al.,  2006;  Roberts  et  al.,  2010;  Cheng  et  al.,  2012).  Furthermore,  lasting   cognitive  deficits  in  TBI-­‐patients  are  suggested  to  have  their  origin  in  the  dysfunction  of   these  organelles  (Lifshitz  et  al.,  2004).  The  correlation  of  mitochondria  with  apoptosis,  and   the  early  time-­‐point  in  which  they  are  affected,  suggests  a  primary  role  for  these  organelles   in  the  cellular  response  to  mechanical  injury.  

 

In  sum,  we  hypothesized  that  GFAP-­‐α  and  GFAP-­‐δ  affect  the  cellular  response  differentially.   More  specifically,  we  expect  that  mitochondria  are  the  central  mediators  in  response  to   mechanical  injury.  

     

(5)

Here  we  report  on  the  current  state  of  our  study.  We  were  unable  to  verify  most  targets  of   our  microarray  analysis  due  to  the  minor  cellular  changes  in  our  initial  stretches.  The   minimal  cellular  changes  and  possible  sensitivity  limitations  of  the  acquisition  method   (qPCR)  prevented  a  further  verification.  An  increase  of  stretch  severity  did  result  in  a  larger   expression  level  of  FOS  and  EGR1,  but  no  significant  genetic  changes  were  found  in  response   of  our  stretch  protocol.  Subsequent  protein  measures  and  mitochondrial  function  assays  are   lacking.    

(6)

Materials  and  methods  

 

Cell  culture  

U251  cells  were  kept  in  10cm  dishes  in  a  humidified  incubator  at  37°C  with  5%  CO2.  Medium  

was  composed  of  2%  Fetal  Calf  Serum  (FCS),  supplemented  with  1%  P/S  (100  U/ml  penicillin,   100  ug/ml  streptomycin)  in  a  1:1  F10/DMEM+Glutamax  mixture.    

 

Passage  and  preparation  for  stretch  was  done  as  follows.  Cells  in  10cm  plates  were  washed   with  Versene  (0.53  mM  EDTA  in  PBS)  and  trypsinized  for  5  minutes  in  the  humidified   incubator  (i.e.  37°C  with  5%  CO2),  using  a  mixture  of  Trypsin:Versene  (1:3).  Trypsinization  

was  stopped  with  FCS-­‐containing  medium,  after  which  cells  were  spinned  down  for  3   minutes  at  300  g  and  room  temperature  (RT).  Cells  were  resuspended  with  medium  and   supplemented  to  5  mL  total  volume.  A  haemocytometer  was  used  for  counting  cells,   enabling  an  appropriate  estimation  of  cell  density  throughout  experiments.  Remaining  cells   were  seeded  and  grown  for  later  stretches.  

 

Stretch  protocol  

Cells  were  plated  (5  *10^5,  U251)  were  plated  on  a  YIGSR  laminin  peptide  coated  bioflex  6-­‐ well  plate,  as  supplied  by  Dunn  Labortechnik  Germany  and  kept  in  the  humidified  incubator.   The  cells  were  allowed  to  attach  for  at  least  6  hours,  after  which  the  medium  was  changed   from  2%  to  0%  FCS,  and  kept  overnight  (O/N)  in  the  incubator  (fig.  1).  Serum  starvation  stops   proliferation  of  the  plated  cells  (Cooper  et  al.,  2003).

 

 

Figure  1;  Schematic  representation  of  our  stretch  protocol.  500.000  cells  were  plated  and  kept  in  the  incubator  for  6  hours  

with  FCS-­‐containing  medium  (2%),  after  which  they  were  changed  to  and  kept  O/N  in  medium  lacking  FCS.  The  first  stretch  (i.e.   24-­‐hours  stretch)  occurred  the  following  day.  The  second  (i.e.  30-­‐minutes  stretch),  and  subsequent  RNA  isolation  was   performed  on  the  third  day.  Total  duration  of  our  stretch  protocol  was  ~48  hours.  

(7)

After  our  O/N  incubation,  two  wells  were  subjected  to  our  24-­‐hours  stretch  condition  with  a   pressure  of  ~67  psi,  in  order  to  obtain  a  response  peak  pressure  of  ~5.7  psi  (i.e.  0.39  bar).   Previous  (medium)  stretches  had  a  peak  pressure  of  ~4.0  psi  (i.e.  0.27  bar).  30  minutes  prior   to  RNA-­‐isolation  another  two  other  wells  were  subjected  to  a  strain  stress,  using  similar   force  as  in  the  previous  stretch  (fig.  1).  The  remaining  two  wells  served  as  unstretched   control.  Mechanical  injury  was  induced  with  the  ’Cell-­‐Injury  Controller  II’  (fig.  2)  (Custom   Design  &  Fabrication,  Inc.,  USA).  

 

 

Figure  2;  Cell-­‐Injury  Controller  II  (Custom  Design  &  Fabrication,  Inc.,  USA)  

 

RNA-­‐isolation  

For  RNA  isolation  medium  was  taken  of  the  wells,  and  0.5ml-­‐1  ml  Trisure  was  applied  to  the   wells.  Samples  were  placed  in  a  fresh  eppendorf  tube  and  kept  on  ice.  Separation  of  RNA   from  all  other  cellular  components  was  done  by  addition  of  chloroform,  incubating  for  5   minutes  and  spinning  for  15  minutes  at  12.000  g  and  7°C.    

 

Spinning  resulted  in  a  3-­‐layered  liquid  (i.e.  phenol  phase,  interphase,  and  aqueous  phase).   The  aqueous  phase  was  taken  off  the  underlying  inter-­‐  and  phenol  phase  (i.e.  ~  200  µL),  and   placed  in  a  new  eppendorf  tube.  This  was  supplemented  with  isopropanol  (i.e.  200  µL)  and  1   µL  of  glycogen,  and  stored  at  least  O/N  at  -­‐20°C.  The  phenol  phase  was  kept  and  is  usable  for   future  protein  isolation  procedures,  although  stability  of  protein/yield  is  expected  to  be   lower  in  this  indirect  way,  as  opposed  to  direct  protein  isolation  using  lysis  buffer  containing   protease  inhibitors.  

(8)

After  O/N  storage,  RNA-­‐isolation  was  continued  with  a  spinning  step  for  45  minutes  at  max   speed  (ca.  20.000  g)  and  4°C).  Supernatant  was  removed  from  the  RNA-­‐pellet  and  washed   twice  with  75%  ethanol.  After  each,  RNA  pellet  was  spun  down  for  1  minute  at  maximum   speed  and  4°C.  After  removal  of  the  last  wash,  pellet  was  left  to  air-­‐dry  for  approximately  15   minutes.  RNA  was  dissolved  in  a  minimum  of  15  µL  MilliQ  (MQ).  

 

cDNA  creation  

cDNA  creation  was  done  with  the  Quantitect  Reverse  Transcription  Kit  by  Qiagen,  which   uses  a  combination  of  oligo-­‐dT  and  random  primers.  Yields  of  the  U251  have  readily  enabled   a  MQ  solution  with  RNA  of  500  ng/6µL.  

 

cDNA-­‐synthesis  was  started  by  with  an  incubation  step  of  our  RNA-­‐solution  (6  µL),  and  an   additional  1  µL  of  7x  gDNA  Wipeout  Buffer.  During  this  step  Wipeout  Buffer  removed  excess   contamination  of  DNA.  Reverse  transcription  was  started  with  the  addition  of  2.0  µL  5x   Quantiscript  RT  Buffer,  0.5  µL  RT  Primer  Mix,  and  0.5  µL  Quantiscript  Reverse  Transcriptase   (RT).  Thus,  bringing  the  total  reaction  mixture  volume  to  10  µL.    

  qPCR  

Real  time  qPCR  was  based  on  the  monitoring  of  fluorescent  SYBR  Green  I    by  a  sequence   detection  system  (Prism  5700;  Applied  Biosystems  Inc,  Nieuwekerk  a/d  IJssel,  The  

Netherlands).  SYBR  binds  double  stranded  (ds)-­‐DNA  and  can  thus  be  regarded  as  a  measure   of  the  amount  of  double  stranded  amplicon  present  in  that  specific  sample.  Ideally  each   cycle  doubles  the  signal  (i.e.  amount  of  ds-­‐DNA),  up  to  a  set  threshold.  Threshold  was   identical  for  all  genes,  thereby  providing  a  means  of  comparing  RNA-­‐template  levels   throughout  samples.    

 

cDNA  samples  were  diluted  1:20  for  real-­‐time  quantitative  PCR  assays  with  SYBRH  Green   PCR  Master  Mix  (ABI)  (2X  mixture  of  SYBR  Green  1  Dye,  AmpliTaq  Gold®  DNA  Polymerase,   dNTPs  with  dUTP,  Passive  Reference  1  (ROX),  and  optimized  buffer  components).  Measures   were  taken  with  a  passive  reference  dye  in  the  PCR  mixture.  Variability  in  concentration  or   volume  of  sample  were  accounted  for  using  its  fluorescence.  Total  mixture  had  a  

composition  as  follows:  5  μL  SYBR  Green  PCR  Master  Mix,  3.5  μL  MQ,  0.5  μL  of  primer  mix   (2μM)  and  1  μL  of  diluted  cDNA.    

(9)

The  sequence  detection  system  had  several  steps  of  measurement.  First,  a  2-­‐minute  

incubation  step  at  50°C,  followed  by  a  polymerase  activation  at  95°C  for  10  minutes.  Second,   a  cycling  melting  step  at  95°C  for  15  seconds  and  annealing-­‐elongation  at  60°C  for  1  minute   for  40  cycles.  Continuous  measure  of  fluorescence  enabled  the  construction  of  a  dissociation   curve  (i.e.  melting  profile).  Melting  profiles  of  the  used  primers  were  checked  after  every   microplate  and  only  single  melting  peaks  were  found;  suggesting  that  there  were  no  primer   dimers  in  our  RNA-­‐measures  (data  not  shown).  Further  technical  details  can  be  found  in   Kamphuis  et  al.,  2012.  

 

GeNORM  and  statistical  analysis  

Although  our  microarray  gave  us  an  insight  as  to  which  genes  were  the  most  stable  in  our   data  sets,  translating  findings  in  our  medium  stretch  directly  to  the  severe  stretch  are  not   recommended.  Therefore,  we  chose  to  perform  a  GeNORM  analysis  in  order  to  validate   stability  data  of  our  microarray,  as  well  as  checking  which  genes  could  be  considered  as   reference  genes  in  the  severe  stretch  condition.  GeNORM  analaysis  is  a  pairwise  variation   analysis  of  the  genes  in  the  dataset,  providing  a  measure  for  internal  expression  stability   (Vandesompele  et  al.,  2002).  In  our  medium  stretch  protocol  GAPDH,  PPP3CB  and  RPS6   matched  requirements  of  variation,  whereas  CNOT10,  PPP3CB  and  RPS6  did  in  our  severe   stretch  protocol.  

 

Analysis  for  statistical  significance  was  done  with  Graphpad  using  a  non-­‐parametric  Kruskal-­‐ Wallis  test  with  post-­‐hoc  Dunn’s  correction.  

(10)

Results  

 

GeNORM  analysis  

Using  microarray  and  GeNORM-­‐analysis  we  found  that  RPS6,  PPP3CB  and  GAPDH  are  the   most  stable  genes  in  our  medium  stretch  (MS)  protocol,  whereas  RPS6,  PPP3CB  and  CNOT10   are  the  most  stable  in  severe  stretch  (SS)  (fig.  3  and  4).  Throughout  stretch  and  isoform   conditions  these  genes  have  similar  threshold  cycles  without  any  statistical  differences.  

 

 

 

Figure  3;Threshold  cycles  (Ct’s)  for  referen2es  genes  in  medium  stretch  protocol.  Ct’s  for  RPS6  (a),  PPP3CB  (b),  and  GAPDH  (c),  

as  measured  with  qPCR.  X-­‐axis  is  labelled  according  to  each  cell  line  and  the  their  measures  in  time:  mCh  (Ch),  α,  δ;  and  0   (control),  30  (minutes  post-­‐stretch),  24  (hours  post  stretch),  respectively.  No  statistical  significant  differences  were  found   between  stretch  and  isoform  conditions  (n=4).  

 

 

 

Figure  4;Threshold  cycles  (Ct’s)  for  referenes  genes  in  severe  stretch  protocol.  Ct’s  for  RPS6  (a),  PPP3CB  (b),  and  CNOT10  (c),  

as  measured  with  qPCR.  X-­‐axis  is  labelled  according  to  each  cell  line  and  the  their  measures  in  time:  mCh  (Ch),  α,  δ;  and  0   (control),  30  (minutes  post-­‐stretch),  24  (hours  post  stretch),  respectively.  No  statistical  significant  differences  were  found   between  stretch  and  isoform  conditions  (mCh,  α,  n=3;  δ,  n=2)  

      Ch.0 Ch.30 Ch.24 α.0 α.30 α.24 δ.0 δ.30 δ.24 0 1 2 3 4 RPS6

Stretch and isoform conditions

Thr e s hold c y c le (C t) (a) Ch.0 Ch.30 Ch.24 α.0 α.30 α.24 δ.0 δ.30 δ.24 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 PPP3CB

Stretch and isoform conditions

Thr e s hold c y c le (C t) (b) Ch.0 Ch.30 Ch.24 α.0 α.30 α.24 δ.0 δ.30 δ.24 0 5 10 15 GAPDH

Stretch and isoform conditions

Thr e s hold c y c le (C t) (c) Ch.0 Ch.30 Ch.24 α.0 α.30 α.24 δ.0 δ.30 δ.24 0 5 10 15 20 RPS6

Stretch and isoform conditions

Thr e s hold c y c le (C t) (a) Ch.0 Ch.30 Ch.24 α.0 α.30 α.24 δ.0 δ.30 δ.24 0.0 0.5 1.0 1.5 PPP3CB

Stretch and isoform conditions

Thr e s hold c y c le (C t) (b) Ch.0 Ch.30 Ch.24 α.0 α.30 α.24 δ.0 δ.30 δ.24 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 CNOT10

Stretch and isoform conditions

Thr e s hold c y c le (C t) (c)

(11)

Medium  stretch  

Initial  stretching  of  cells  was  done  with  a  pressure  wave  of  ~46  psi,  corresponding  to  a   medium/moderate  deflection  of  the  silicon  membrane  and  a  response  peak  pressure  of     ~0.29  bar  (~4.0  psi).  Several  putative  targets  from  our  microarray  analysis  were  tested  using   qPCR.  A  statistical  significant  upregulation  of  FOS  and  EGR1  RNA-­‐levels  was  found  in  our  30-­‐ minutes  stretch  condition  in  all  3  cell  line  subtypes  (i.e.  mCh,  α,  δ)  without  a  difference  in   expression  between  isoforms  (fig.  5).  However,  no  other  changes  were  discovered,  

suggesting  that  the  severity  of  the  mechanical  injury  could  be  insufficient  for  a  clear  cellular   response  or  that  the  cells  were  inherently  unresponsiveness  to  stretch.  

 

 

   

Figure  5;  RNA  expression  levels  of  target  genes  in  medium  stretch  (MS).  RNA-­‐expression  profiles  of  FOS  (a/b)  and  EGR1(c/d),  

as  measured  with  qPCR  and  corrected  for  GAPDH,  PPP3CB  and  RPS6.  X-­‐axis  is  labelled  according  to  each  cell  line  and  the  their   measures  in  time:  mCh  (red),  α  (green)  and  δ  (blue);  and  0  (control),  30  (minutes  post-­‐stretch),  24  (hours  post  stretch),   respectively.  No  statistical  differences  were  found  between  the  different  isoforms,  whereas  30-­‐minutes  post  stretch  RNA   expression  was  statistically  different  from  both  other  time-­‐points  (P<0.0001,  ****;  P<0.01,  **).  Non-­‐parametric  Kruskal-­‐Wallis   test  with  post-­‐hoc  Dunn’s  correction  was  performed  for  statistical  analysis  (0  30,  24;  n=12).  

  Ch.0 Ch.30.2 Ch .24 α.0 α.30 α.24 δ.0 δ.30 δ.24 0.000 0.005 0.010 0.015 FOS Stretch3and3isoform3condi<ons No rm al iz ed 3R NA Be xp re ss io n a) 0 30 24 0.000 0.005 0.010 0.015 FOS Stretch0condi5on No rm al iz ed 0R NA =e xp re ss io n **** ** b) Ch.0 Ch.30.2 Ch .24 α.0 α.30 α.24 δ.0 δ.30 δ.24 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 EGR1 Stretch4and4isoform4condi=ons No rm al iz ed 4R NA Be xp re ss io n c) 0 30 24 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 EGR1 Stretch1and1isoform1condi:ons No rm al iz ed 1R NA ?e xp re ss io n **** ** d)

(12)

Injury  maximization  

Medium  stretch  severity  did  not  result  in  a  large  cellular  response.  Therefore,  we  aimed  to   maximize  the  mechanical  injury  by  amplifying  the  pulse  pressure  to  ~67  psi,  corresponding   to  a  large  deflection  of  the  silicon  membrane  and  a  response  peak  pressure  of  ~5.7  psi  (0.39   bar).  This  pulse  pressure  of  ~67  psi  approached  the  maximum  of  our  setup,  thereby  limiting   a  further  increase  in  severity  (Ellis  et  al.,  1995).  Injury  severity  was  assessed  using  RNA-­‐ expression  levels  of  genes  from  our  medium  stretch  protocol.  Both  FOS  and  EGR1  had  an   increase  in  their  relative  fold  change  in  our  30-­‐minutes  stretch  condition    (fig.  6).  Our  24-­‐ hours  stretch  condition  did  not  differ  in  their  expression  levels  (data  not  shown).  

 

 

 

Figure  6;  Cell  response  maximization.  Relative  fold  increase  of  FOS  (a)  and  EGR1  (b)  RNA-­‐expression  in  30-­‐minutes  post-­‐stretch  

condition,  as  compared  to  unstretched  (control).  Measures  were  obtained  with  qPCR  and  corrected  for  PPP3CB,  RPS6,  and   either  GAPDH  (MS)  or  CNOT10  (SS).  X-­‐axis  is  labelled  with  cell  line  (i.e.  mCh  (Ch),  α,  or  δ)  and  their  30-­‐minutes  post  stretch   measure.  Medium  stretch  (MS)  has  a  lower  fold  change  than  severe  stretch  (SS)  for  both  FOS  and  EGR1.  

 

Severe  stretch  

The  severe  stretch  samples  were  gathered  using  our  new  maximized  peak  response  pulse  of   ~0.39  bar  (~5.7  psi).  Transductions  are  generally  quite  stable,  however,  after  prolonged  use   it  is  possible  that  introduced  genes  are  not  expressed  as  much  as  they  were  in  the  beginning.   During  our  severe  stretches  we  discovered  a  reduction  in  expression  of  our  GFAP-­‐isoforms.   Therefore,  to  prevent  a  further  loss  of  our  proteins  of  interest,  a  new  transduction  was   performed,  and  cells  were  FACS-­‐sorted  resulting  in  a  more  consistent  and  higher  expression   of  our  isoforms  of  interest  (data  not  shown).  No  comparative  quantitative  measure  was   performed  for  protein  level  expression  of  both  transductions.  The  severe  stretch  dataset   discussed  here  contains  both  transductions,  henceforth  referred  to  as  the  first  and  second  

MS#Ch SS#C h MS#α SS#α MS#δ SS#δ 0 10 20 30 40 50 FOS Stretch#and#isoform#condi<ons No rm al iz ed #R NA Be xp re ss io n a) MS#Ch SS#C h MS#α SS#α MS#δ SS#δ 0 5 10 15 20 EGR1 Stretch#and#isoform#condi;ons No rm al iz ed #R NA @e xp re ss io n b)

(13)

batch  of  cells.  As  stated,  our  severe  stretch  protocol  induced  an  increase  in  FOS  and  EGR1   RNA-­‐expression  levels  of  our  30-­‐minutes  stretch  condition  throughout  isoforms.    

However,  despite  a  larger  expression  of  FOS  and  EGR1  in  our  severe  stretch  protocol,  no   difference  between  the  isoforms  was  found  (fig.  6  and  7).  Of  our  microarray  targets,  no   other  genes  were  significantly  affected  by  our  stretch  protocol  (data  not  shown).  Preliminary   findings  did  indicate  that  the  second  transduction  responded  with  greater  severity,  

suggesting  that  there  was  a  cellular  response  difference  between  both  transductions  (fig.  7).   Moreover,  possibly  obscuring  smaller  genetic  changes.  

 

 

 

 

Figure  7;  RNA  expression  levels  of  target  genes  in  severe  stretch  (SS).  Mean  (+  standard  deviation)  RNA-­‐expression   profiles  of  FOS  (a/b)  and  EGR1  (c/d),  as  measured  with  qPCR  and  corrected  for  RPS6,  PPP3CB  and  CNOT10.  X-­‐axis  is  labelled   according  to  each  cell  line  and  the  their  measures  in  time:  mCh  (circle),  α  (triangle),  δ  (square);  and  0  (control/unstretched),  30   (minutes  post-­‐stretch),  24  (hours  post  stretch),  respectively.  Dots  depicted  in  colour  are  measures  from  the  new  transduction,   suggesting  that  there  is  a  difference  between  the  cellular  response  in  the  first  and  second  batch.    No  statistical  differences   were  found  between  the  different  isoforms,  whereas  30-­‐minutes  post  stretch  RNA  expression  was  statistically  different  from   both  other  time-­‐points  (P<0.01,  **).  Non-­‐parametric  Kruskal-­‐Wallis  test  with  post-­‐hoc  Dunn’s  correction  was  performed  for   statistical  analysis  (0,  30,  24;  n=8).       Ch.0 Ch.30Ch.24 α.0 α.30 α.24 δ.0 δ..30 δ.24 *0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 FOS Stretch4and4isoform4condi=ons No rm al ize d4 RNA *e xp re ss io n a) 0 30 24 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 FOS Stretch0condi5on No rm al ize d0 RNA =e xp re ss io n b) *** ** Ch.0 Ch.30 Ch.24 α.0 α.30 α.24 δ.0 δ..3 0 δ.24 0 10 20 30 40 50 EGR1 Stretch'and'isoform'condi0ons No rm al ize d' RNA 6e xp re ss io n c) 0 30 24 0 10 20 30 40 EGR1 Stretch/condi4on No rm al ize d/ RNA ;e xp re ss io n d) ** **

(14)

GFAP  is  non-­‐reactive  throughout  our  stretch  conditions  and  stretch  severities  (fig.  8).  

Looking  in  more  detail  to  our  GFAP-­‐isoforms  in  our  second  batch  of  cells  does  suggest  an   upregulation  of  RNA  (fig.  9);  however,  after  accounting  for  the  corresponding  correction   factor,  no  reactivity  was  found  (suppl.  fig.  1).  GFAP-­‐expression  level  differences  between  the   1st  and  2nd  batch  of  cells  do  further  support  a  differential  cellular  response  between  both  

batches  (fig.  9).    

 

 

   

Figure   8;  RNA   expression   levels   of   new   target   genes   in   severe   stretch   (SS).   Expression  profiles  of  GFAP-­‐α  (a)  and  

GFAP-­‐δ  (b),  as  measured  with  qPCR  and  corrected  for  RPS6,  PPP3CB  and  CNOT10.  X-­‐axis  is  labelled  according  to  each  cell  line   and  the  their  measures  in  time:  mCh  (Ch),  α,  δ;  and  0  (control),  30  (minutes  post-­‐stretch),  24  (hours  post  stretch),  respectively.   No  differences  in  expression  level  were  found  between  stretch  conditions.    

 

 

 

Figure   9;  RNA   expression   levels   of   GFAP-­‐α   and-­‐δ   in   severe   stretch   (2nd   batch).   Expression  profiles  of  GFAP-­‐α  and  

GFAP-­‐δ,  as  measured  with  qPCR  and  corrected  for  RPS6,  PPP3CB  and  CNOT10.  X-­‐axis  is  labelled  according  to  each  cell  line  and   the  their  measures  in  time:  mCh  (Ch),  α,  δ;  and  0  (control),  30  (minutes  post-­‐stretch),  24  (hours  post  stretch),  respectively.  No   statistical  analysis  was  performed  (n=1).  

ch.0 ch.30 ch.24 a.0 a.30 a.24 d.0 d.30 d.24 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 GFAP0α Stretch5and5isoform5condi<ons No rm al iz ed 5R NA 0e xp re ss io n a) Ch.0 Ch.30 Ch.24 α.0 α.30 α.24 δ.0 δ.30 δ.24 0.00 0.02 0.04 0.06 10 20 30 40 Stretch'and'isoform'condi0ons No rm al iz ed 'R NA 6e xp re ss io n GFAP-δ b) Ch.0Ch.30Ch.24 α.0 α.30 α.24 δ.0 δ.30 δ.24 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 GFAP0α" Stretch6and6isoform6condi?ons No rm al iz ed 6R NA 0e xp re ss io n 1st 2nd a) Ch.0Ch.30Ch.24 α.0 α.30 α.24 δ.0 δ.30 δ.24 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 10 20 30 40 Stretch2and2isoform2condi;ons No rm al iz ed 2R NA Ae xp re ss io n GFAPAδ b)

(15)

Interbatch  differences  in  the  cellular  response  suggested  reanalysing  of  our  initial  dataset.   Separating  both  transductions  gave  rise  to  several  genes  of  interest  in  our  severe  stretch   protocol  in  our  second  batch  of  cells  (table  1).  These  changes  remained  after  accounting  for   fluctuations  in  our  correction  factor  (suppl.  fig  1,  table  1).  Remarkably,  most  changes  in  our   α-­‐line  are  reductions  in  gene  expression,  whereas  our  δ-­‐line  has  mostly  increases  in  

expression.        

   

Ch  

α  

δ  

   

30/0   24/0   30/24   30/0   24/0   30/24   30/0   24/0   30/24  

CKLF  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

COX11  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

CTNNB1  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

GFAPd  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

GSK3B  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

MAFF  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

PARK2  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

PLXNA4  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

SEMA4A      

   

   

   

   

   

   

   

   

SMPD1  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

TXNRD2  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

UTP14C-­‐1      

   

   

   

   

   

   

   

   

UTP14C-­‐2      

   

   

   

   

   

   

   

   

 

Table  1;  Genes  affected  in  our  second  batch  using  a  severe  stretch.  On  the  Y-­‐axis  genes  are  depicted,  whereas  on  the  

X-­‐axis  the  comparison  is  shown.  For  example,  30/0  is  the  RNA-­‐expression  level  ratio  of  our  30-­‐minutes  condition  to  our   unstretched.  Similarly,  30/24  is  the  ratio  of  our  30-­‐minutes  stretch  condition  versus  the  24-­‐hours  condition.  Red  shows  a   reduction  by  more  than  half,  whereas  green  depicts  an  increase  of  more  than  50%.  For  example,  the  GFAP-­‐δ  gene  has  a  higher   expression  in  our  24-­‐hours  stretch  in  comparison  to  unstretched  in  our  δ-­‐overexpressing  line.  

 

 

(16)

Discussion  

 

Microarray  and  GeNORM-­‐analysis  showed  that  RPS6,  PPP3CB  and  GAPDH  are  the  most   stable  reference  genes  in  moderate  stretch,  whereas  in  the  severe  stretch  CNOT10,  RPS6,   PPP3CB  are  the  most  stable  genes.  GAPDH  is  commonly  regarded  as  a  stable  reference  gene   (Li  et  al.,  2012),  however,  several  studies  have  found  the  gene  to  be  variable  across  species,   and  experimental  and  disease  conditions  (Mahoney  et  al.,  2004;  Nelissen  et  al.,  2010).   Although  the  gene  is  one  of  the  most  stable  in  our  initial  medium  stretch,  with  an  increased   stretch  severity  the  expression  stability  of  GAPDH  becomes  more  variable,  and  CNOT10  is   found  to  be  a  more  stable  gene.  This  suggests  that  initial  microarray  findings  –using  a   moderate  stretch-­‐  may  not  translate  to  our  severe  stretch,  possibly  overlooking  genetic   changes  with  increased  mechanical  injury.  Moreover,  differences  in  the  cellular  response   were  not  restricted  to  our  prospective  reference  genes  and  considerable  differences  in  gene   expression  levels  were  found  between  both  stretch  conditions  (fig.  6).  

 

FOS  is  part  of  a  family  of  transcription  factors  that  associate  with  the  Jun  family  in  a   heterodimeric  manner,  and  is  known  to  be  upregulated  in  astrocytes  in  a  wide  range  of   conditions,  of  both  disease  and  normal  functioning  (Chiang  et  al.,  2012).  In  turn,  EGR1  has   been  associated  with  damage  causing  conditions,  and  seems  an  integral  part  of  the  cellular   response  (Fan  et  al.,  2011;  Beck  et  al.,  2008).  More  importantly,  FOS  and  EGR1  are  found  to   be  upregulated  after  clinical  and  experimental  TBI  (Silverman  et  al.,  1998;  Michael  et  al.,   2005;  Lu  et  al.,  2000),  and  are  therefore  in  support  of  our  findings.  

 

Cultured  astrocytes  respond  to  trauma  by  increasing  their  intracellular  calcium  levels  in  a   direct  correlation  with  severity  (Lange  et  al.,  2012;  Rzigalinski  et  al.,  2002),  thereby  enabling   Ca2+-­‐dependent  FOS  and  EGR1  expression  (Mellström  and  Naranjo,  2001;  Stula  et  al.,  2000).  

Furthermore,  intracellular  calcium  levels  play  a  role  in  GFAP-­‐phosphorylation,  thereby   correlating  this  primary  stress  responder  to  the  stability  and  protective  capacity  of  GFAP   (Takemura  et  al.,  2002;  Schlaepfer  and  Zimmerman,  2006).    

 

Fan  and  colleagues  (2011)  showed  that  GFAP  expression  is  regulated  by  p300,  as  specific   mutations  within  p300’s  EGR1-­‐transactivating  promoter  abolishes  this  upregulation  (Fan  et   al.,  2011).  Absence  of  FOS  does  not  impair  GFAP  transcription,  as  GFAP  content  of  astrocytes   accumulated  in  the  absence  of  this  gene  (Dragunow  et  al.,  1990).  Therefore,  despite  FOS  

(17)

being  an  excellent  marker  for  neuronal  activation  (Kovács  et  al.,  2008),  it  is  not  always   associated  with  GFAP-­‐expression  and  EGR1  might  prove  a  better  measure  for  optimization   success  when  regarding  astrocytic  reactive  gliosis  in  response  to  our  stretching  protocol.  The   correlation  of  Ca2+,  EGR1  and  GFAP  underlies  their  importance  in  the  astrocytic  cellular  

response  after  mechanical  injury  (fig.  10).  FOS  might  therefore  only  be  involved  in  smaller   cellular  mechanisms.  

 

Figure  10;  Model  for  the  correlation  of  Ca2+,  EGR1  and  GFAP  in  the  cellular  response  to  mechanical  injury.  

 

Using  qPCR  we  attemped  to  check  several  microarray  targets.  Although  some  overlap  in   pattern  could  be  seen  in  genes,  e  lack  of  overlap  suggests  that  the  initial  small  expression   level  differences  can’t  be  delineated  further  using  qPCR  (data  not  shown).  Furthermore,  an   array  uses  certain  nucleotide  probes  in  order  to  recognize  the  expressed  RNAs.  Primers  are   based  on  known  refseq  sequences  and  it  is  thus  possible  the  array  probes  recognize  

unaccounted  regions  of  the  gene,  thus  despite  having  made  search-­‐parameter  constrictions   towards  exon  spanning  and  accounting  for  alternative  splicing,  it  is  possible  that  two   separate  regions  of  the  transcript  are  recognized.  Multiple  studies  have  pointed  out  that   such  an  alignment  is  desirable  for  validation  of  the  array  (Dallas  et  al.,  2005;  Wang  et  al.,   2006).  Therefore,  it  is  possible  that  the  already  minor  effects  found  in  the  array  samples,  and   the  lack  of  sequence  complementarity  between  real  time  PCR  and  microarray,  prevented  us   from  validating  other  target  genes.  When  possible,  results  of  future  primers  may  be  

improved  if  the  microarray  probe  region  is  taken  into  account  in  the  primer  design.      

Alternatively,  it  is  possible  that  there  were  no  other  differences  to  detect.  Despite  finding  an   upregulation  of  FOS  and  EGR1,  an  upregulation  of  GFAP  is  absent  in  our  study.    Epigenetic   modulators  regulate  genetic  expression.  The  methylation  state  of  the  promoter  of  a  gene   determines  the  ‘accessibility’  for  the  polymerases,  where  less  methylation  equals  more   transcription  and  vice  versa.  It  has  been  suggested  that  there  is  a  role  of  epigenetic  silencing   of  the  GFAP-­‐promoter  with  increasing  malignancy  (Restrepo  et  al.,  2010).  Therefore,  it  is   possible  that  absence  of  gliosis  is  a  consequence  of  epigenetic  inheritance  of  our  cell  line.   Subsequent  genetic  changes  correlated  with  GFAP  are  therefore  underestimated/absent.    

(18)

Intermediate  filaments  have  a  possible  protective  role  in  mechanical  injury,  as  an  absence  of   these  filaments  makes  cells  more  susceptible  to  that  injury  (Fuchs  and  Cleveland,  1998;   Pekny  and  Pekna,  2004;  Lane  and  Pekny,  2004;  Silverman  et  al.  1998).  Apart  from  this   mechanical  property,  there  is  a  hypothesis  suggesting  that  IFs  can  add  a  non-­‐mechanical   dimension  to  IF-­‐mediated  signalling  (Hyder  et  al.,  2008).  This  phosphate  ‘sponge’  hypothesis   suggests  that  keratin  –  another  intermediate  filament  –  is  capable  of  absorbing  stress-­‐ activated  kinases,  thereby  reducing  non-­‐keratin  pro  apoptotic  substrate  phosphorylation   and  reducing  overall  apoptosis  (Ku  and  Omary,  2006).  Similarly,  14-­‐3-­‐3  proteins  –IF  solubility   factors-­‐  were  found  to  be  centres  of  kinase  activity  and  involved  in  cell  cycle  progression   (phenotypical  development)  (Gardino  and  Yaffe,  2011).  In  this  way,  IF’s  are  generally   important  for  both  the  mediation  of  external  forces,  and  the  intracellular  localization  of   primary  responders.  A  similar  role  could  thus  be  postulated  for  other  filaments  like  GFAP,   which  could  explain  putative  genetic  changes  in  our  second  batch  of  cells.  Whereas  there  is   hardly  any  change  in  expression  in  our  control  line,  both  the  α-­‐  and  δ-­‐line  might  have  a   considerable  altered  response.  Remarkably,  it  could  even  be  suggested  that  our  α-­‐  and  δ-­‐ line  have  an  apparent  opposed  response,  with  the  α-­‐line  having  an  initial  reduction  of   expression  and  our  δ-­‐line  a  more  immediate  increase  in  RNA-­‐expression.  Therefore,  it  is   possible  that  an  intact  network  –  as  in  our  α-­‐line  –  is  capable  of  sequestering  direct  cellular   change  by  capturing  necessary  protein  kinases  and  Ca2+.  This  non-­‐mechanical  function  of  

intermediate  filaments  is  could  thus  responsible  for  the  putative  genetic  changes  in  our   overexpressing  lines  within  our  second  batch  (table  1).  Furthermore,  it  may  be  able  to   explain  why  a  proper  GFAP-­‐network  is  protective  from  mechanical  injury.  Temporal  and   spatial  imaging  of  Ca2+-­‐might  thus  provide  greater  insight  into  the  cellular  changes  (e.g.  

apoptosis)  following  mechanical  injury.    

In  sum,  our  study  found  a  consistent  RNA  upregulation  of  both  FOS  and  EGR1  in  our  30-­‐ minutes  stretch  condition  throughout  experimental  protocols.  Both  in  vitro  and  in  vivo   studies  with  rodent  and  human  models  have  previously  shown  that  FOS  and  EGR1  

expression  after  clinical/experimental  TBI  (Silverman  et  al.,  1998;  Michael  et  al.,  2005;  Lu  et   al.,  2000;  Awashti  et  al.,  2003;  Dutcher  et  al.,  1999).  We  have  established  that  U251  

astrocytoma  cells  respond  in  a  similar  fashion,  suggesting  that  these  immediate  early  genes   can  be  regarded  as  the  central  mediators  in  the  cellular  response  following  mechanical   injury.  EGR1  is  of  particular  importance  to  reactive  gliosis,  although  GFAP  RNA-­‐expression   was  non-­‐responsive  throughout  our  stretch  protocols  and  conditions.  

(19)

 

Moreover,  no  differential  transcription  was  found  between  control  and  either   overexpression  of  GFAP-­‐α  or  GFAP–δ;  suggesting  that  there  is  no  differential  cellular   response  between  cells  with  either  isoform  overexpressed.  However,  preliminary  results  of   our  second  batch  of  cells,  using  the  severe  stretch  protocol,  might  suggest  that  there  is  a   temporal  and  directional  discrimination  in  their  respective  responses  (table  1).    

 

(20)

Future  perspectives  

 

Our  study  has  shown  the  importance  of  FOS  and  EGR1  in  the  mechanical  injury  response  of   U251  astrocytoma  cells.  EGR1  is  of  particular  interest  in  reactive  gliosis  via  its  possible  role  in   GFAP  expression  (Fan  et  al,  2011).  Furthermore,  EGR1  regulates  several  tumor  suppressor   genes  such  as  TGFβ1,  PTEN,  p53  and  fibronectin  (Baron  et  al.,  2006;  Liu  et  al.,  2001).   Considering  that  most  tumors  have  a  dysfunctional  PTEN  or  p53,  the  U251’s  might  have  a   differential  cellular  response  than  a  healthy  astrocyte,  preventing  the  apoptotic  initiation   that  is  characteristic  of  TBI  (Liu  et  al.,  2001;  Brázdová  et  al.,  2009).  If  we  hypothesize  that  the   GFAP  isoforms  have  a  differential  apoptotic  response  in  mechanical  injury,  it  would  serve   our  goal  to  have  a  model  that  is  able  to  show  this  cascade  leading  up  to  cell  death.    The   donor-­‐derived  astrocytes  isolated  by  Van  Strien  (10/103,  Netherlands  Institute  for   Neuroscience)  could  be  such  a  model.  

 

An  integral  part  of  synaptic  plasticity  is  the  cellular  regulation  of  calcium.  However,  during   trauma  excessive  calcium  pathology  occurs,  which  increases  ROS  production  and  induces   mitochondrial  dysfunction  in  TBI  patients  (Lifshitz  et  al.,  2004;  Brookes  et  al.,  2004).  In   addition,  both  FOS-­‐  and  EGR1-­‐transcription  are  calcium  dependent,  although  no  measures  of   Ca2+  concentration  were  performed.  Several  dyes  will  be  suitable  for  calcium  imaging  in  our  

stretching  procedures  (e.g.  fura-­‐2)  (Rzigalinski  et  al.,1998).  Alternatively,  inducing   mechanical  injury  in  the  presence  of  calcium  chelators  can  help  discriminate  the  physical   distortion  effects  from  transcriptional  regulations.    

 

Hartings  and  colleagues  (2011)  report  on  a  negative  correlation  between  spreading  neuronal   depolarizations  and  TBI  outcome.  However  –  in  light  of  the  supportive  and  active  role  of  glia   in  neuronal  function-­‐  glial  cells  are  expected  to  play  a  role  in  the  modulation  of  the  TBI   outcome.  McCall  and  colleagues  (1996)  found  that  GFAP-­‐null  mice  displayed  enhanced   neuronal  long-­‐term  potentiation  (LTP)  of  both  population  spike  amplitude  and  excitatory   post-­‐synaptic  potential  slope  compared  to  control  mice,  without  an  concurrent  

compensatory  upregulation  of  either  vimentin  nor  nestin.  Astrocytes  lacking  GFAP  could   thus  be  restricted  in  their  ability  to  limit  LTP,  resulting  in  spreading  depolarizations  and   synaptic  dysfunction.  Therefore,  upregulation  of  GFAP  during  gliosis  could  be  responsible  for   restricting  these  detrimental  neuronal  depolarizations  and  subsequent  damage.    

(21)

It  would  thus  be  interesting  to  see  how  mechanical  injury  affects  synaptic  plasticity  in  a  co-­‐ culture  of  neurons  and  our  isoform-­‐specific  astrocytes.    In  addition,  Pablo  and  colleagues   (2013)  recently  used  an  in  vitro  model  ischemia  model  to  describe  the  ROS-­‐production  in  the   presence  and  absence  (i.e.  GFAP-­‐/-­‐,  Vim-­‐/-­‐)  of  a  IF-­‐network.  They  showed  that  the  absence  of  

a  network  resulted  in  both  an  increased  ROS-­‐production,  as  well  as  a  reduced  metabolic   function  in  a  co-­‐culture  of  astrocytes  and  neurons.    This  already  increased  our  understanding   of  the  correlation  between  mechanical  injury,  ROS,  mitochondrial  dysfunction,  and  the  role   intermediate  filaments  play  in  this  process.  We  could  take  a  step  further  by  looking  into  the   isoform-­‐specific  role  in  ROS  production  and  synaptic  plasticity.  

         

 

 

(22)

References  

 

Allaman,  I.,  Bélanger,  M.,  and  Magistretti,  P.J.  (2011).  Astrocyte–neuron  metabolic   relationships:  for  better  and  for  worse.  Trends  in  Neurosciences  34,  76–87.    

Awasthi,  D.,  Kutz,  S.C.,  Beuerman,  R.,  Nguyen,  D.,  Carey,  M.E.,  Zeiller,  S.,  2003.  Early  gene   expression  in  the  rat  cortex  after  experimental  traumatic  brain  injury  and  hypotension.   Neuroscience  Letters  345,  29–32.  doi:10.1016/S0304-­‐3940(03)00497-­‐X  

 

Baron,  V.,  Adamson,  E.D.,  Calogero,  A.,  Ragona,  G.,  and  Mercola,  D.  (2006).  The  transcription   factor  Egr1  is  a  direct  regulator  of  multiple  tumor  suppressors  including  TGFβ1,  PTEN,  p53,   and  fibronectin.  Cancer  Gene  Therapy  13,  115–124.  

 

Beck,  H.,  Semisch,  M.,  Culmsee,  C.,  Plesnila,  N.,  and  Hatzopoulos,  A.K.  (2008).  Egr-­‐1   Regulates  Expression  of  the  Glial  Scar  Component  Phosphacan  in  Astrocytes  after   Experimental  Stroke.  Am  J  Pathol  173,  77–92.  

 

Brand,  M.D.,  and  Nicholls,  D.G.  (2011).  Assessing  mitochondrial  dysfunction  in  cells.   Biochemical  Journal  435,  297–312.  

 

Brazdova,  M.,  Quante,  T.,  Togel,  L.,  Walter,  K.,  Loscher,  C.,  Tichy,  V.,  Cincarova,  L.,  Deppert,   W.,  and  Tolstonog,  G.V.  (2009).  Modulation  of  gene  expression  in  U251  glioblastoma  cells  by   binding  of  mutant  p53  R273H  to  intronic  and  intergenic  sequences.  Nucleic  Acids  Res  37,   1486–1500.  

 

Brookes,  P.S.,  Yoon,  Y.,  Robotham,  J.L.,  Anders,  M.W.,  and  Sheu,  S.-­‐S.  (2004).  Calcium,  ATP,   and  ROS:  a  mitochondrial  love-­‐hate  triangle.  American  Journal  of  Physiology  -­‐  Cell  Physiology   287,  C817–C833.  

 

Chen,  Y.C.,  Smith,  D.H.,  Meaney,  D.F.,  2009.  In-­‐Vitro  Approaches  for  Studying  Blast-­‐Induced   Traumatic  Brain  Injury.  J  Neurotrauma  26,  861–876.  doi:10.1089/neu.2008.0645  

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

Stel der gaat iemand verhandelen zeg maar op het festival uhm op het onjuiste tijdstip van laat in de avond wanneer mensen gewoon niet een juiste keuze voor zichzelf meer kunnen

Glial fibrillary acidic protein (GFAP) is the main intermediate filament (IF) in astrocytes. The GFAP gene can give rise to 10 different splice isoforms, of which GFAPα is the

At a stroke, Newcastle City Council is cutting the poorest's opportunity to access the arts' transformational power.. We should rightly be proud of what culture has recently

En 1981, nous avons testé Ie site de Petit -Spiennes III qui correspond au remaniement de la nappe de Mesvin et fournit une industrie analogue à cellede Mesvin IV (Arch. La

Publisher’s PDF, also known as Version of Record (includes final page, issue and volume numbers) Please check the document version of this publication:.. • A submitted manuscript is

De hoogste correlatiecoëfficiënt voor gescheurde trossen (88.93%) werd berekend uit een combinatie van vier troskenmerken op dagniveau: duur tot kleur laatste vrucht, duur

De overige locaties liggen op een grof grid (0.2 bij 0.2 geografische minuut).. LNV) en de monsterlocaties (stippen). Roze = niet bezaaid; Groen = Vermoedelijk niet bezaaid maar

High IL-6 Concentration Induced Myogenic Differentiation in Primary Human Myoblasts (PHMs) To evaluate IL-6-mediated changes in PHMs, cells were treated with low and high