Complement-mediated neuronal loss by sialic acid glycocalyx alterations

Abstract

Every neuronal cell is covered with a dense structure of glycoconjugates, the glycocalyx. Sialic acids form the terminal ends of the glycocalyx and thus, are more accessible for the cellular environment. Microglia, the brain macrophages constantly survey the brain parenchyma and can sense small alterations in the glycocalyx. Recently, it was demonstrated in murine and human neuron-microglia/macrophage co-cultures that healthy neurons with reduced surface-bound sialic acids were removed by microglia/macrophages in a complement-dependent manner. Although microglial phagocytosis is considered as beneficial, the role of microglia in recognizing sialic acids in neurodegenerative and neuroinflammatory processes is still not fully understood.<br /> In this study, the situation of a desialylated glycocalyx in vivo was mimicked by using a mouse heterozygous for the bifunctional enzyme glucosamine-2-epimerase/N-acetylmannosamine kinase (GNE; GNE^+/-- mice). It was shown that gne transcription was reduced in the brain of young and old GNE^+/-- mice and a reduced sialylation status was confirmed. In accordance with the in vitro data, an increased age-dependent neuronal loss was found in different brain regions of GNE^+/-- mice compared to their wildtype littermates. Histological staining indicated morphological changes in microglia but not in astrocytes. Furthermore, only very minor inflammatory changes were observed in the transcriptome data of the brain pointing towards a homeostatic removal of neurons in GNE^+/-- mice by microglia. Based on the in vitro studies, the GNE^+/-- mice were crossbred with mice deficient for the complement component 3 (C3), the central player of the complement cascade, to confirm the involvement of the complement system. The C3-deficiency was able to rescue the neuronal loss in the GNE^+/-- mice. Thus, this study successfully showed that the complement system is involved in microglial removal of neurons in vivo.<br /> The in vivo data demonstrate the importance of microglial sensing of small alterations in the glycocalyx. Sialic acids seem to play an essential role in maintaining brain homeostasis and might also be in involved in synaptic plasticity. However, oxidative stress or aging can lead to a decrease of sialic acids that then might lead to unwanted reactivation of developmental synaptic pruning and consequently to the loss of neurons in the brain. Thus, targeting the neuronal glycocalyx could be a beneficial therapy in age-dependent neuronal loss and neurodegenerative diseases.

<strong>Komplement-vermittelter Verlust der Nervenzellen durch Sialinsäure-Veränderungen der Glykokalyx<br /></strong>Im Alter nimmt die Häufigkeit an neurodegenerativen Erkrankungen zu, die mit einem generellen oder zelltypspezifischen Abbau von Nervenzellen einhergehen. Mikroglia, die Gehirnmakrophagen, stehen im ständigen Kontakt mit Nervenzellen, um kleinste Veränderungen wahrnehmen zu können. Dies geschieht über die zelluläre Glykokalyx, ein Geflecht aus verschiedenen Zuckern mit Sialinsäuren als terminaler Zucker.<br /> In der vorliegenden Studie wurde der Einfluss einer veränderten Glykokalyx im Gehirn in vivo untersucht. In vitro-Experimente zeigten bereits, dass die Entfernung der Sialinsäuren von der neuronalen Glykokalyx zur Komplementrezeptor 3-vermittelten Phagozytose der Nervenzellen durch Mikroglia/Makrophagen führt. Dieser Mechanismus wurde nun erfolgreich in ein Mausmodell übertragen. Als Modell wurde eine Maus verwendet, die heterozygot für das bifunktionelle Enzym UDP-N-Acetylglucosamin-2-Epimerase/N-Acetylmannosaminkinase (GNE^+/--Maus) ist und dadurch eine niedrigere Sialylierung aufweist. Diese Mäuse zeigten einen Verlust von Nervenzellen in verschiedenen Gehirnregionen, der sich mit dem Alter weiter verstärkte. Parallel dazu wurde gezeigt, dass vor allem die langkettigen Polysialinsäuren reduziert waren. Trotz kontinuierlichem Nervenzellabbau konnten keine Entzündungsreaktionen im Gehirn festgestellt werden. Sowohl eine Transkriptom-Analyse, als auch eine Astrozyten- und Mikrogliaanalyse im Gehirn zeigten keine großen Auffälligkeiten. Lediglich die stärkere Exprimierung eines Mikroglia-/Makrophagenmarkers deutete auf eine erhöhte Mikroglia-Aktivität hin und lässt auf eine homöostatische Phagozytose schließen. Wichtige Erkenntnisse brachte die Kreuzung der GNE^+/--Maus mit einer Komplementfaktor C3-defizienten Maus. Durch die vollständige Inhibierung des Komplementsystems konnte der Nervenzellabbau selbst bei alten GNE^+/--Mäusen verhindert und dadurch die Involvierung des Komplementsystems auch in vivo nachgewiesen werden.<br /> Somit zeigt die vorliegende Arbeit, dass Sialinsäuren auch im komplexen Organismus eine zentrale Funktion in der Mikroglia-Nervenzell-Kommunikation einnehmen. Eine reduzierte Sialylierung führt zu einer Komplement-vermittelten Phagozytose der Nervenzellen durch Mikroglia. Das untersuchte Mausmodell, sowie die daraus gewonnenen Erkenntnisse bilden eine sehr gute Grundlage um den altersabhängigen Nervenzellverlust weiter zu untersuchen und geeignete Therapieansätze zur Vermeidung von neurodegenerativen Erkrankungen zu entwickeln.