Elena Tschumak - Ziele und Wirkungsweise des regulatorischen FOXP2-Gens, Vergleich mit anderen Vertretern der FOX-Familie

In ihrem Review „FOXP2 as a molecular window into speech and language“ Fisher & Scharff, 2009 , fassten die Autorinnen mehrere Untersuchungen zusammen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die FOXP2-Expression mit der Expression anderer Mitglieder der FoxP-Subfamilie überlappt und mit dem regulatorischen Gen CtBP1 zusammenwirkt. Es reguliert das in den Neuronen exprimiertes und evtl. mit dem Autismus-Spektrum assoziiertes CNTNAP2-Gen (7q35), ein Mitglied der an der Zelladhäsion und Bildung von Kaliumkanälen beteiligten Neurexin-Familie. Seine Mutationen werden auch mit Sprachstörungen assoziiert. In der Arbeit wurden u. a. auch die FoxP2-Interaktion mit dem CtBP1-Co-repressor und dem Homeodomain-Transcriptionsfactor Nkx2.1 in der Lunge (Li, S. et al. , 2004) , (Zhou et al. , 2008) erwähnt. Weiterhin wurde die Bedeutung von FOXP2-Interaktionen im ZNS (Vernes et al. , 2007) und bei der Gehirnentwicklung des Menschen (Spiteri et al. 2007) hervorgehoben . Bei diesem Prozess diente das FoxP2 als ein Repressor.

In einer neuen Studie „Contactin-associated protein-like 2 expression in SH-SY5Y cells is upregulated by a FOXP2 mutant with a shortened poly-glutamine tract“, 2015 zeigten Zhao et al. , dass eine Polyglutamin (poly-Q) reduzierte FOXP2-Mutation zur Expressions-Zunahme des Contactin-assoziierten CNTNAP2-Proteins und des CASPR2 (eines Säugerproteins, das dem Neurexin IV in Drosophila homolog ist) führte. Da die Mutation in Form der Polyglutamin (poly-Q)-Verkürzung auch bei SSD (speech sound disorder)-Patienten festgestellt wurde, ist das CNTNAP2 möglicherweise an der Entstehung der SSD beteiligt.

Die oben beschriebene FOXP2 Mutation verursachte u.a. die DVD mit expressiven und rezeptiven Sprachdefiziten. FOXP2-Mutationen wurden auch bei Landau-Kleffner-Syndrom beobachtet. Sie üben auch einen Einfluss auf kontinuierliche Spike-Wellen während des Schlafes (CSW) aus. (Rudolf et al. , 2009)

CNTNAP2-Mutationen stehen nicht nur mit spezifischen Sprachentwicklungsstörungen (Vernes et al. , 2008), sondern auch mit dem Autismus (Alarcón et al. , 2008), (Arking et al. , 2008), (Bakkaloglu et al. , 2008) , mit der Epilepsie und mit der Schizophrenie (Friedman et al. , 2008) in Verbindung.

Auch in der eng untereinander verwandten Amish-Gemeinde wurde eine homozygote CNTNAP2-Mutation mit Sprach-, Verhaltensstörungen und mit geistiger Behinderung beobachtet. (Strauss et al. , 2006) Ein änliches Krankheitsbild ergab sich bei Störungen der FOXP2-CNTNAP2- und FOXP2-SRPX / uPAR-Interaktionen.

Offensichtlich verursachen sowohl die FOXP2-CNTNAP2- als auch die FOXP2-SRPX2 / uPAR -Regulationswegs-Störungen diagnostisch verschiedene, aber klinisch ähnliche Merkmale. Es könnte darauf zurückgeführt werden, dass molekulare Netzwerke, deren Störung die Epilepsie, das Autismus, die DVD sowie spezifische Sprachdefizite verursachen, sich teilweise überlappen. Damit könnte man eine Verbindung zwischen den Idiopathischen Fokalen Epilepsien und den kognitiven Behinderungen erklären. Das FOXP2 reguliert die Expression der beiden Komponenten des SRPX2 / uPAR-Komplexes. Dieser Komplex ist in die Entstehung epileptischer Anfälle des Roland-Bereichs involviert. FOXP2-Mutationen stören wahrscheinlich auch die Regulation vieler weiterer Wege, die wiederum eine modulatorische Wirkungen auf die Anfälligkeit für die epileptischen Anfälle ausüben.

Eine weitere Untersuchung auf diesem Gebiet zeigte, dass das FoxP2 die Entwicklung neuronaler Schaltkreise durch die Regulierung der Synaptogenese in der Hirnrinde mit Hilfe des Sushi-Domain-Proteins SRPX2 moduliert. (Sia et al. , 2013). Die Autoren identifizierten das SRPX2 als ein sekretiertes Protein, das Synapsendichte in dissoziierten Hippokampus-Neuronen moduliert. Dieses Synaptogenese-fördernde Protein interagiert mit dem FoxP2-Transkriptionsfaktor. Die SRPX2-Abnahme beeinträchtigt die Entwicklung der Ultraschall-Lautäußerungen bei Mäusen und spielt auch eine Rolle bei Sprachstörungen. Das SRPX2 ist somit ein synaptogener Faktor, der eine Rolle in der Pathogenese von Sprachstörungen spielt, denn die Synapsen-Bildung ist ein wesentlicher Prozess bei der Gehirnentwicklung und wird durch aus der Membran sezernierte Proteine koordiniert. (Scheiffele et al. . 2000 ), (Biederer. et al. , 2002), (Graf et al. , 2004), (Ko et al. , 2006), (de Wit et al. , 2009)

Die richtige Entwicklung neuronaler Schaltkreise ist eine Voraussetzung der störungsfreien Gehirnfunktionen und Mutationen in synaptogenen Genen werden mit vielen kognitiven Erkrankungen, einschließlich dem Autismus, der Schizophrenie und geistiger Behinderung, in Verbindung gebracht. (Szatmari et al. , 2007), (Walsh et al. , 2008), (Laumonnier et al. , 2004)

Sushi-Domain-Proteine werden auch Komplement-Kontrollproteine (CCP) genannt, denn sie regulieren sowohl das Immunsystem in Vertebraten (Kirkitadze et al. , 2001) als auch die neuronale Entwicklung in C. elegans (Gendrel et al. , 2009) und in Drosophila (Hoshino et al. , 1993, 1996). Zur Bestimmung der SRPX2-Rolle bei der Synapsenbildung in einer Region des motorischen und des somatosensorischen Kortex der Maus, die dem Sprachgebiet der menschlichen Hirnrinde analog ist, führte man Extrapolierungens-Untersuchung sowohl in den Zellkulturen der V./ VI. Kortikalen Schicht als auch in vivo in utero durch. Durch die Antikörper-Färbung wurde festgestellt, dass die neuronale SRPX2-Überexpression zu einem Anstieg des vesikulären Glutamat-Transporters 1 (VGLUT1)-Niveaus führt. Gleichzeitig sind die beiden auch colokalisiert. Das Niveau der inhibitorischen synaptischen Marker für den vesikulären GABA-Transporter VGAT und für das Gephyrin bleib jedoch unverändert. Die dendritische Morphologie blieb von der SRPX2-Überexpression auch unbeeinflusst. Dementsprechend führte die Überexpression des SRPX2-Gens sowohl bei Menschen als auch bei Ratten zur erhöhten Synapsen-Dichte erregender Synapsen in der Wirbelsäule ohne Auswirkungen auf die Entstehung hemmender Synapsen. Dabei zeigten juvenile Ratten höhere SPRX2-Expression als Erwachsene, was auf die entwicklungsbedingte Synapsenbildung zurückzuführen ist. Mit Hilfe der Coimmunoprecipitation und des Immunoblots der Synaptosomen wurde nachgewiesen, dass das SRPX2 in der Nähe der Sekretionsstellen sich mit sich selbst, jedoch nicht mit anderen Mitgliedern der SRP-Familie oligomerisiert. Mit Hilfe der Elektroporation wurde festgestellt, dass die FoxP2-transfizierten kortikalen Neurone im Vergleich zu GFP-transfizierten Neuronen eine geringere Menge an SRPX2 enthielten. Dies deutet darauf hin, dass das FoxP2 die SRPX2-Expression in kortikalen Kulturen hemmt. Durch die Chromatin-Immunopräzipitation (ChIP) wurde auch bestätigt, dass das FoxP2 direkt an den SRPX2-Promoter bindet.

Durch die Liposom-Transfektion mit anschließender Synapsenfärbung wurde 7 Tage danach festgestellt, dass die FoxP2-transfizierten Neurone eine geringere Dendriten-Dichte sowie eine Abnahme exzitatorischer Synapsen zeigten. Die Dichte inhibtorischer Synapsen blieb dabei unverändert. Zusätzliche FoxP2-Überexpression in kortikalen Neuronen verursachte eine Abnahme der primären Dendriten-Zahl, die von gleichzeitiger Abnahme ihrer Länge begleitet wurde. Diese Wirkung konnte durch die SRPX2-Coexpression nicht kompensiert werden, was evtl. darauf zurückzuführen ist, dass das FoxP2 zusätzliche Effektoren hat. Diese Effektoren könnten die dendritische Morphologie in den kortikalen Neuronen regulieren. Somit scheint die SRPX2-Wirkung sich auf die Synapsenbildung zu beschränken. Mit Hilfe der Whole-Cell-Voltage-Clamp wurde in vivo beobachtet, wie die SRPX2-transfizierte Neuronen eine signifikante mEPSC-Reduktion zeigten.