Title Protein changes in the neonatal opossum spinal cord during the period when regeneration stops being possible
Title (english) Proteinske promjene u leđnoj moždini neonatalnih oposuma tijekom razdoblja kada regeneracija prestaje biti moguća
Author Ivana Tomljanović
Mentor Miranda Mladinić Pejatović (mentor)
Committee member Ivana Ratkaj (predsjednik povjerenstva)
Committee member Nicholas James Bradshaw (član povjerenstva)
Committee member Dubravka Švob Štrac (član povjerenstva)
Granter University of Rijeka (Faculty of Biotechnology and Drug Development) Rijeka
Defense date and country 2023, Croatia
Scientific / art field, discipline and subdiscipline BIOTECHNICAL SCIENCES Biotechnology
Universal decimal classification (UDC ) 577 - Biochemistry. Molecular biology. Biophysics
Abstract One of the major challenges of modern neurobiology concerns the inability of the adult
mammalian central nervous system (CNS) to regenerate and repair itself after injury. It is poorly
understood why regenerative potential is lost with evolution and development and why it becomes
very limited in adult mammals. Even though our understanding of molecular and cellular
mechanisms that promote or inhibit neuronal regeneration is expanding, it is still unclear what are
the key differences between the neuronal systems that can and cannot regenerate, and how they
can be manipulated to change the outcome of the injury. Our incomplete understanding of
molecular events underlying neuronal development and regeneration is the main reason why
neurodegenerative diseases and brain and spinal cord injuries are still mostly incurable today.
A preferred model to study and reveal the cellular and molecular basis of regeneration is the
neonatal opossum (Monodelphis domestica). Opossums are marsupials that are born very
immature with the unique possibility to successfully regenerate spinal cord after injury in the first
two weeks of their life. After that, the regenerative capacity is abruptly lost: at 14 days in cervical
spinal segments and at 17 days in less mature lumbar spinal segments.
In this thesis, we used neonatal opossums to study molecular and cellular properties of spinal tissue
that has and does not have the capacity to regenerate after injury, to pinpoint the key differences.
Using a comparative proteomic approach, for the first time, we identified the proteins unique and
differentially distributed in the intact opossum spinal tissue with different regenerative capacities.
We have identified a total number of 4735 proteins involved in various cellular processes such as
cell growth, proliferation, differentiation, transcription, cell signaling, cytoskeleton and
extracellular matrix organization, axon guidance molecules, neurotrophic factors and entire
intracellular molecular pathways like mTOR and MAPK signaling pathway. We have also
identified many myelin associated proteins, known to act as inhibitors of CNS axon regeneration,
which was the positive control for our overall experimental procedure. Most interestingly, we have
identified a number of proteins related to different neurodegenerative diseases that change in the
opossum spinal cord during the period critical for neuroregeneration. The different distribution of
the selected proteins detected by comparative proteomics was further confirmed by Western blot,
and the changes in the expression of related genes were analyzed by quantitative reverse
transcription PCR. Furthermore, we explored the cellular localization of the selected proteins using
immunofluorescent microscopy. We showed that during the period of development when
viii
regeneration stops being possible, the substantial number of proteins known to be involved in
regeneration and development change their level in the opossum spinal cord. These results
upgraded the previous transcriptomic data about the genes differentially expressed in regenerating
and non-regenerating opossum spinal cord tissue. Comparison of the data obtained by genomic
and proteomic approaches allowed the identification of molecules of interest and narrowed the
number of candidates for functional assays.
For the first time, we successfully established primary neuronal spinal cell cultures from neonatal
opossums of different ages and different regenerative capacities, which represent a novel
mammalian in vitro platform, particularly useful to study CNS development and regeneration, and
to test the functional role of the candidate molecules, together with the intact neonatal opossum
spinal cord preparation. We have also developed the neuroregeneration scratch test to be
performed on primary neuronal spinal cell cultures deriving from P5 opossums.
Taken together, the results of this thesis contribute to a better understanding of neuronal
regeneration in mammals and identify candidate molecules as future targets to promote
neuroregeneration in mammalian CNS.
Abstract (english) Jedan od glavnih izazova suvremene neurobiologije je nemogućnost regeneracije središnjeg
živčanog sustava (SŽS) odraslih sisavaca nakon ozljede. Još uvijek nije jasno kako se i zašto
sposobnost regeneracije gubi tijekom evolucije i razvoja, te zašto regeneracija kod odraslih
sisavaca postaje iznimno ograničena. Iako se naše razumijevanje staničnih i molekularnih
mehanizama koji potiču ili inhibiraju regeneraciju zadnjih godina sve više produbljuje, još uvijek
je nejasno koje su to ključne razlike između živčanih sustava koji imaju i onih koji nemaju
sposobnost regeneracije te kako ih manipulirati sa ciljem da se promjeni ishod ozljede. Naše
nepotpuno razumijevanje molekularnih događaja koji su temelj razvoja i regeneracije živčanog
tkiva je glavni razlog zašto su neurodegenerativne bolesti, kao i ozljede mozga i leđne moždine
danas još uvijek neizlječive.
Prikladan model za proučavanje i otkrivanje stanične i molekularne osnove regeneracije su mladi
oposumi (Monodelphis domestica). Oposumi su tobolčari koji se rađaju nerazvijeni pa tijekom
prva dva tjedna svog života posjeduju jedinstvenu sposobnost potpune regeneracije leđne moždine
nakon ozljede. Nakon toga sposobnost regeneracije se naglo gubi: oko 14. dana u vratnom dijelu
leđne moždine, te 17. dana u njenom manje razvijenom lumbalnom dijelu.
Mlade oposume koristili smo za istraživanje molekularnih i staničnih svojstava tkiva leđne
moždine koje ima sposobnost regeneracije nakon ozljede, te onog koje nema, kako bi se odredile
ključne razlike. Uporabom komparativne proteomike, po prvi puta, identificirali smo proteine koji
su jedinstveni i različito izraženi u tkivu leđnih moždina oposuma koji mogu i onih koji ne mogu
regenerirati. Identificirali smo ukupno 4735 proteina koji sudjeluju u staničnom rastu, proliferaciji,
diferencijaciji, transkripciji, staničnoj signalizaciji, organizaciji citoskeleta i izvanstaničnog
matriksa, molekule koje usmjeravaju aksone, neurotrofne čimbenike i cijele unutarstanične
molekularne puteve kao što su mTOR i MAPK signalni put. Također, identificirali smo niz
proteina povezanih s mijelinom za koje se zna da djeluju kao inhibitori regeneracije aksona, što je
bila pozitivna kontrola za naš cjelokupni eksperimentalni postupak. Kao najvažniji rezultat, otkrili
smo da se mnoštvo proteina povezanih s neurodegenerativnim bolestima mijenja u leđnoj moždini
oposuma u vremenu kada regeneracija prestaje biti moguća. Različita distribucija odabranih
proteina dodatno je potvrđena Western blotom, a promjene u ekspresiji gena analizirane su
metodom kvantitativne reverzne transkripcije lančane reakcije polimeraze. Nadalje,
imunofluorescentnom mikroskopijom istražili smo staničnu lokalizaciju odabranih proteina.
x
Pokazali smo da se tijekom razvoja, u trenutku kada regeneracija prestane biti moguća, znatno
mijenja razina proteina za koje se zna da kontroliraju regeneraciju i razvoj leđne moždine
oposuma. Dobiveni rezultati su nadogradili prethodna istraživanja vezana za gene različito
izražene u tkivu leđne moždine oposuma koje ima i onoga koje nema sposobnost regeneracije.
Također, usporedbom rezultata komparativne transkriptomike i proteomike moguće je bilo
identificirati molekule od interesa i suziti broj kandidata za funkcionalna istraživanja.
Po prvi puta, uspješno smo uspostavili primarne stanične kulture leđne moždine oposuma različite
dobi i različite regenerativne sposobnosti, koje predstavljaju novu in vitro platformu, posebno
korisnu za proučavanje razvoja i regeneracije SŽS-a, kao i za funkcionalna istraživanja molekula
kandidata u neuroregeneraciji, zajedno sa preparatom cjelovite leđne moždine oposuma
održavanog u kulturi. Također, uspostavili smo test neuroregeneracije koji uključuje mehaničku
ozljedu primarnih staničnih kultura dobivenih iz pet dana starih oposuma.
Zaključno, rezultati ovog istraživanja doprinose boljem razumijevanju regeneracije živčanog tkiva
sisavaca, te otkrivaju potencijalne terapijske molekularne mete koje bi mogle biti interesantne za
neuroregeneraciju SŽS-a sisavaca.
Keywords
Monodelphis domestica
spinal cord
regeneration
neurodegenerative diseases
proteomics
primary cell cultures
Keywords (english)
Monodelphis domestica
leđna moždina
regeneracija
neurodegenerativne bolesti
proteomika
primarne stanične kulture
Language english
URN:NBN urn:nbn:hr:193:662153
Promotion 2023
Study programme Title: Medicinal chemistry Study programme type: university Study level: postgraduate Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, interdisciplinarna područja znanosti, polje biotehnologija u biomedicini (doktor/doktorica znanosti, interdisciplinarna područja znanosti, polje biotehnologija u biomedicini)
Type of resource Text
File origin Born digital
Access conditions Open access
Terms of use
Created on 2023-02-08 07:46:35