Growth-Differentiation Factor-15 and its role in peripheral nervous system lesion and regeneration

Hochschulschrift

Zusammenfassung: Growth/Differentiation Factor-15 (GDF-15) is a distant member of the TGF-β superfamily, which is widely expressed in the body, most prominently in liver, lung, kidney and exocrine glands. Functions assigned to GDF-15 to date are mostly related to cancer biology and progression, inflammation and cardioprotection. In the field of the nervous system, several studies had shown that injured cortical neurons, microglia, Schwann cells and activated macrophages are the main producers of GDF-15. Exogenous GDF-15 has neurotrophic functions for cultured neurons, and can promote maturation of the regenerating axons. GDF-15 deficient mice exhibit postnatal progressive neuron loss. However, the functions and underlying signaling pathways of GDF-15 in the nervous system are largely unknown. In this project, crush or transection lesion on the sciatic nerve was performed on GDF-15 knock out (KO) mice and wild type (WT) littermates. The main parameters and markers related to GDF-15 expression, neuron survival, nerve regeneration and functional recovery were analyzed.GDF-15 mRNA levels in the dorsal root ganglia (DRG) were slightly upregulated at 3 and 7 days after sciatic nerve lesion, and returned to control level thereafter. GDF-15 expression in the sciatic nerve segments distal to the lesion peaked at 7 days after injury, which may be related to dedifferentiation of Schwann cells and infiltration of macrophages. GDF-15 was then downregulated after 7 days in the sciatic nerve crush model, but it remained at high level in the transection model. The potential neurotrophic factor Galanin was higher expressed in the GDF-15 deficient DRG than in the WT. The immunoreactivity of the survival-promoting molecule phospho-Bad was found to be constitutively expressed in the GDF-15 KO DRG, but was only seen in the WT DRG after lesion. In the GDF-15 KO mice, the myelination modulator Krox-20 was maintained at a high level in unlesioned nerve, which might account for the hypermyelination phenotype. However, it did not alter the remyelination during nerve regeneration. The macrophage attractor MAC-2, cytokines IL-1β and IL-6 were found to be more prominently expressed in the GDF-15 knock out nerve than in WT littermates. As a consequence, the levels of macrophage markers CD11b and F4/80 in KO mice were higher than in the WT; this was further substantiated by the staining of F4/80 in the nerve distal to the lesion. The alternative macrophage activation markers Arginase 1 and Ym1 were more prominently expressed in lesioned nerves from GDF-15 KO than in WT mice.After sciatic nerve lesion, DRG neuron loss and axon remyelination showed no significant difference between the genotypes. However, regenerated axons in wild type animals gained a larger diameter at a later time point after sciatic nerve lesion, and showed a better improvement in terms of conduction velocity and amplitude in the electromyography test, meaning a better functional recovery.In conclusion, GDF-15 does not alter DRG neuron death after sciatic nerve lesion; GDF-15 suppresses macrophage recruitment and alternative activation; finally, GDF-15 promotes the maturation of regenerated axons by enlarging the diameter
Zusammenfassung: Growth/Differentiation Factor-15 (GDF-15) ist ein entferntes Mitgleid der TGF-ß Superfamilie und ist bei Säugern weit verbreitet; die höchste Expression findet man in den Organen Leber, Lunge, Niere und in exokrinen Drüsen. Bisher meist untersuchte Funktionen von GDF-15 betreffen die Biologie von Krebszellen, Metastasierung, Entzündung und das pathologische Herz. Für das Nervensystem ist in mehreren Studien gezeigt worden, dass GDF-15 im lädierten cerebralen Cortex, in Mikroglia, in Schwannzellen und in aktivierten Makrophagen synthetisiert und sekretiert wird. Exogen appliziertes GDF-15 wirkt neurotroph und kann die Regeneration lädierter Axone über einen Spalt hinweg fördern. GDF-15 Knockout-Mäuse zeigen einen progredienten postnatalen Verlust motorischer und sensorischer Neurone. Allerdings sind die meisten Funktionen von GDF-15 im Nervensystem noch nicht aufgeklärt. In meiner Dissertationsarbeit habe ich an GDF-15 WIldtyp- und Knockout-Mäusen Quetschungs- und Durchtrennungs-Experimente am Nervus Ischiadicus durchgeführt und die morphologischen, molekularen und biochemischen Konsequenzen sowie die Nervenregeneration (nach Quetschung) untersucht. GDF-15 wurde in Spinalganglien (dorsal root Ganglien, DRG) nach 3 – 7 Tagen postläsional hochreguliert und normaliserte sich danach. Distal der Nervenläsionsstelle erreichte die GDF-15 Expression 7 Tage nach Verletzung ihren Gipfel; dies steht offenbar im Zusammenhang mit der Aktivierung/Dedifferenzierung von Schwannzellen und der Makrophageninfiltration. Nach Quetschung kehrten die GDF-15 Werte jenseits von Tag 7 auf Kontrollniveau zurück; nach Nerv-Durchtrennung blieben die Werte hoch. Galanin ist ein neurotropher Faktor und war in GDF-15 defizienten DRGs höher exprimiert als in WIldtyp-Ganglien. GDF-15 Knockouts exprimierten phosphoryliertes Bad (das als Überlebenssignal funktioniert) konstitutiv; in WIldtyp-Tieren wurde es nur nach Läsion beobachtet. Krox-20 ist ein positiver Regulator der Myelinisierung; es war prominent heraufreguliert in unlädierten Nerven von Knockout-Tieren; wir sehen dies im Zusammenhang mit dem Hypermyelinisierungs-Phänotyp dieser Tiere. Allerdings förderte hochreguliertes Krox-20 nicht die Remyelinisierung bei der Nervenregeneration. Der Makrophagen-Attractor MAC-2 sowie die Cytokine IL-1β und IL-6 waren höher exprimiert in GDF-15 knockout-nerven als in Wildtypen. Dies führte in Kockout-Tieren zu einer höheren Makrophagen-Invasion, erkennbar an hohen Werten der Makrophagen-Marker CD11b und F4/80. Dies entsprach auch den immuncytochemischen Resultaten. Arginase 1 und Ym1 sind Marker für den alternativen (M2) Aktivierungsweg für Makrophagen; beide Marker waren prominenter exprimiert in läsionierten Nerven von GDF-15 Knockout Tieren als in Wildtyp-Tieren. Nach Nervenläsion entwickelten sich DRG Neurontod und Axonremyeliniserung in Knockout- und Wildtyp-Tieren nahezu ohne Unterschied. Allerdings hatten regenerierte WIldtyp-Axone größere Durchmesser und eine verbesserte Leitungsgeschwindigkeit, also eine bessere funktionelle Erholung. Die Gesamt-Schlussfolgerung ist, dass GDF-15 nach Nervenläsion für das Überleben sensorischer Neurone in vivo unerheblich ist. Jedoch unterdrückt GDF-15 die Makrophagen-Aktivierung und ihre alternative (M2) Aktivierung. Wichtig ist schließlich, dass GDF-15 die Reifung regenerierender Axone durch Vergrößerung ihrer Durchmesser fördert

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Dissertation, 2015

Classification and Topics

• Keyword: Regeneration

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2015
• Creator: Wang, Xiaolong
• Contributor: Merfort, Irmgard

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/10077
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-100773
• Rights: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 14.08.2025, 10:44 AM CEST