The role of the cGAS-STING pathway in mammalian brain physiology and ageing

Abstract

Ageing is a phenomenon which comprises different life spheres: social, economic, and biological. In recent years, research has made big steps to decipher, how cells and tissues age. However, the study of healthy ageing remains pivotal for a better understanding of the physiological cell senescence mechanisms. Thus, it might help to establish connections to neurodegenerative pathology’s development as Alzheimer and Parkinson disease. Hence, this study started with the characterization of physiological ageing using an in vitro model of primary neural cells of mouse. To mimic adult, middle age and old neurons, the cell cultures were maintained for 21, 40, and 60 days in vitro (DIV). The related experiments are based on the study of neuronal cell morphology, proteosomes, autophagy, and innate immunity-related aspects, and are conducted to focus, how these factors influence neuronal ageing in vitro. Compared to younger experimental groups, the results showed a reduction of the dendritic morphology and a decrease of protein synthesis rates in neurons at DIV 60, associated with autophagic impairment, visualized via the accumulation of p62 protein. The role of innate immunity during ageing is part of intensive research, however comparable less is known specifically about the role of the cGAS-STING pathway in brain ageing. Therefore, after first studies in vitro, our research focused on experiments in vivo, based on 8-, 24- and 107-week-old C57BL/6 mice. The level of essential proteins of the cGAS-STING pathway were analyzed on cortical tissues via quantitative Western blots. In summary, the results revealed a disbalance of the cGAS-STING pathway in cortex regions of elderly mice, in comparison with 8-, 24-week-old groups. Moreover, using immunohistochemical analysis, the presence of STING protein in both neurons and astrocytes could be demonstrated. Therefore, the study deepened the understanding of the cGAS-STING pathway in neuronal and brain homeostasis. Using STING-/- mice, primary neural cell cultures were established. Morphological studies on STING-/- neurons showed a different shape with shorter dendrites in comparison with the wild type. Furthermore, an autophagic and proteasomal impairment of STING-deficient neurons could be demonstrated, either by a lower accumulation of p62 following chloroquine treatment or a statistically significant higher FUNCAT signal compared to C57BL/6 cells. The immunocytochemistry data revealed a decrease of presynaptic puncta and larger areas in the STING-/- neurons in contrast to the wild type cells. The results reported in this thesis contribute to a better understanding of the role of the cGAS-STING pathway in neuronal homeostasis and brain ageing.

Altern ist ein Phänomen, das verschiedene Lebensbereiche umfasst: soziale, wirtschaftliche und biologische. In den letzten Jahren hat die Forschung große Fortschritte gemacht, um zu entschlüsseln, wie Zellen und Gewebe altern. Die Untersuchung des gesunden Alterns bleibt jedoch entscheidend für ein besseres Verständnis der physiologischen Mechanismen der Zellalterung. Daher könnte es helfen, Verbindungen zur Entwicklung neurodegenerativer Erkrankungen wie der Alzheimer- und Parkinson-Krankheit herzustellen. Daher begannen unsere Untersuchungen mit der Charakterisierung des physiologischen Alterns unter Verwendung eines in vitro-Modells, bestehend aus neuralen Primärzellen der Maus. Um erwachsene, mittlere und alte Neuronen zu imitieren, wurden die Zellkulturen für 21, 40 und 60 Tage in vitro (DIV) kultiviert. Die zugehörigen Experimente basieren auf der Untersuchung der neuronalen Zellmorphologie, Proteasomen, Autophagie und Aspekten der angeborenen Immunität und sind auf die Frage fokussiert, wie diese Faktoren die neuronale Alterung in vitro beeinflussen. Im Vergleich zu jüngeren experimentellen Gruppen zeigten die Ergebnisse eine Verringerung der dendritischen Morphologie und eine Abnahme der Proteinsyntheseraten in Neuronen bei DIV 60, verbunden mit einer Beeinträchtigung autophagischer Prozesse, evident durch die Akkumulation des p62-Protein. Die Rolle der angeborenen Immunität während des Alterns ist Teil intensiver Forschung, jedoch ist vergleichsweise wenige über die Rolle des cGAS-STING-Signalwegs bei der Gehirnalterung bekannt. Daher konzentrierte sich unsere Forschung nach ersten Studien in vitro auf Experimente in vivo, basierend auf 8-, 24- und 107 Wochen alten C57BL/6-Mäusen. Die Konzentration essentielle Proteine des cGAS-STING-Signalwegs wurde unter Verwendung von kortikalen Geweben mittels quantitativer Western Blots analysiert. Zusammenfassend zeigten die Ergebnisse ein Ungleichgewicht des cGAS-STING-Signalwegs im Kortex älterer Mäuse im Vergleich zu 8-, 24-Wochen-alten Gruppen. Darüber hinaus konnte durch immunhistochemische Analysen das Vorhandensein von STING sowohl in Neuronen als auch in Astrozyten nachgewiesen werden. Daher vertieft die Studie das Verständnis des cGAS-STING-Signalwegs bezüglich der neuronalen Homöostase. Unter Verwendung von STING-/- Mäusen wurden primäre neurale Zellkulturen etabliert. Morphologische Untersuchungen an STING-/- Neuronen zeigten im Vergleich zum Wildtyp eine veränderte Morphologie mit verkürzten Dendriten. Darüber hinaus konnte sowohl eine autophagische als auch eine proteasomale Beeinträchtigung von STING-defizienten Neuronen nachgewiesen werden, entweder durch eine geringere Akkumulation von p62 nach Chloroquin-Behandlung oder ein statistisch signifikant höheres FUNCAT-Signal im Vergleich zu den untersuchten WT-Zellen. Die immunzytochemischen Daten zeigten eine Abnahme der präsynaptischen Strukturen, aber auffallend größer Präsynapsen in den STING-/- Neuronen, im Gegensatz zu den Neuronen des Wildtyps. Die in dieser Arbeit berichteten Ergebnisse sollen damit zu einem besseren Verständnis der Rolle des cGAS-STING-Signalwegs bei der neuronalen Homöostase und der Gehirnalterung beitragen.