Roles of the Hippo pathway kinase Ndr2 in neural development and behavior

Abstract

The NDR (nuclear Dbf2-related) family members are highly conserved serine/threonine protein kinases, which function in many cellular processes extending from cytokinesis to neurite outgrowth. Over the last two decades, the significance of NDR kinases in neuronal cells from different species has been demonstrated. In humans, it has been observed that NDR2, one of four NDR kinases expressed in mammals, resides in a hot spot in the genome that is susceptible to deletions or duplications, resulting in several patients with phenotypes related to intellectual disabilities. Together with this, the important role of these kinases in dendritic and axonal branching led to the questioning of the function of Ndr2 in vivo and the impact on neuronal morphology and behavior. To answer these questions, several genetic mouse models were generated by either knocking-out or overexpressing Ndr2. Germline Ndr2-knockout mice displayed hippocampal morphological differences in the CA3 pyramidal neurons by displaying shorter first order apical dendrites. Behavioral tests revealed a disruption in the innate-fear response, yet no impairment in hippocampus-dependent behavior was eminent. Moreover, two different brain specific Ndr2-conditional knockout mouse lines went through behavioral phenotyping. The Ndr2-conditional knockout mouse generated with Emx1-Cre, displayed a slight anxiety-like behavior whereas the mice generated with CamKII-alpha-Cre, besides exhibiting an anxiety-like behavior, showed impairment in remote memory. Two transgenic mouse lines overexpressing Ndr2 in the same cell populations as the conditional knockout lines were also behaviorally tested. The transgenic mouse line overexpressing Ndr2 dependent on Emx1-Cre did not present an altered phenotype, yet the transgenic mice generated with CamKII-alpha-Cre exhibited a learning impairment and high exploratory behavior accompanied by mossy fiber terminal reduction in the ventral hippocampus. In summary, depending on the cell type and the timing of the expression during development, Ndr2 kinase plays an important role in neuronal branching and outgrowth in vivo and behavior.

Bei den Mitgliedern der NDR-Familie (nuclear Dbf2-related Familie) handelt es sich um hochkonservierte Serin / Threonin-Protein-Kinasen, die in vielen zellulären Prozessen von der Zytokinese bis zum Auswachsen von Neuriten eine Rolle spielen. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde die Bedeutung von NDR-Kinasen in neuronalen Zellen verschiedener Spezien gezeigt. Beim Menschen wurde beobachtet, dass sich NDR2, eine von vier NDR-Kinasen, die in Säugetieren exprimiert werden, an einem Hotspot im Genom befindet, der anfällig für Deletionen oder Duplikationen ist. In diesem Zusammenhang wurde bei Patienten Intelligenzminderungen beobachtet. Darüberhinaus sind diese Kinasen bei der dendritischen und axonalen Verzweigung von großer Bedeutung. Diese beiden Tatsachen gaben Anstoß zur Untersuchung der Funktion von NDR2 in der neuronalen Morphologie und im Verhalten. Um diese Fragen zu beantworten, wurden mehrere genetische Mausmodelle erzeugt, indem entweder NDR2 ausgeschaltet oder überexprimiert wurde. Keimbahn-Ndr2-Knockout-Mäuse wiesen morphologische Unterschiede im Hippokampus, in den CA3-Pyramidenzellen auf, sie hatten kürzere apikale Dendriten erster Ordnung. Verhaltenstests ergaben eine Störung der unkonditionierten Angstreaktion, jedoch war keine vom Hippokampus abhängige Beeinträchtigung des Verhaltens zu beobachten. Zwei verschiedene hirnspezifische Ndr2-bedingte Knockout-Mauslinien wurden einer Verhaltensphänotypisierung unterzogen. Der mit Emx1-Cre erzeugte Ndr2 Knockout resultierte in leicht ängstlichem Verhalten, während die mit CamKII-alpha-Cre erzeugten Knock-out Mäuse neben einem angstähnlichen Verhalten auch eine Beeinträchtigung des Remotegedächtnisses zeigten. Bei zwei transgenen Mauslinien, die Ndr2 in denselben Zellpopulationen wie die konditionalen Knockout-Linien überexprimieren, wurden ebenfalls Verhaltenstests durchgeführt. Die transgene Mauslinie, die Ndr2 in Abhängigkeit von Emx1-Cre überexprimierte, wies keine Beeinträchtigungen auf, jedoch zeigten die mit CamKII-alpha-Cre erzeugten transgenen Mäuse eine Lernbeeinträchtigung und ein hohes Explorationsverhalten, das von einer Reduktion der Mossy-Faserendigungen im ventralen Hippokampus begleitet wurde. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Ndr2-Kinase in Abhängigkeit von Zelltyp und Zeitpunkt der Expression während der Entwicklung eine Rolle bei der neuronalen Verzweigung sowie beim Auswachsen in vivo, und beim Verhalten spielt.