The radial organization of neuronal primary cilia is acutely disrupted by seizure and ischemic brain injury

Abstract

BACKGROUND: Neuronal primary cilia are sensory organelles that are critically involved in the proper growth, development, and function of the central nervous system (CNS). Recent work also suggests that they signal in the context of CNS injury, and that abnormal ciliary signaling may be implicated in neurological diseases.

METHODS: We quantified the distribution of neuronal primary cilia alignment throughout the normal adult mouse brain by immunohistochemical staining for the primary cilia marker adenylyl cyclase III (ACIII) and measuring the angles of primary cilia with respect to global and local coordinate planes. We then introduced two different models of acute brain insult—temporal lobe seizure and cerebral ischemia, and re-examined neuronal primary cilia distribution, as well as ciliary lengths and the proportion of neurons harboring cilia.

RESULTS: Under basal conditions, cortical cilia align themselves radially with respect to the cortical surface, while cilia in the dentate gyrus align themselves radially with respect to the granule cell layer. Cilia of neurons in the striatum and thalamus, by contrast, exhibit a wide distribution of ciliary arrangements. In both cases of acute brain insult, primary cilia alignment was significantly disrupted in a region-specific manner, with areas affected by the insult preferentially disrupted. Further, the two models promoted differential effects on ciliary lengths, while only the ischemia model decreased the proportion of ciliated cells.

CONCLUSIONS:These findings provide evidence for the regional anatomical organization of neuronal primary cilia in the adult brain and suggest that various brain insults may disrupt this organization.

Keywords

cerebral cortex / dentate gyrus / temporal lobe seizure / cerebral ischemia

References

[1] Albrecht P J, Dahl  J P, Stoltzfus  O K, Levenson  R, Levison S W  (2002). Ciliary neurotrophic factor activates spinal cord astrocytes, stimulating their production and release of fibroblast growth factor-2, to increase motor neuron survival. Exp Neurol, 173(1): 46–62

[2] Benes F M, Berretta  S (2001). GABAergic interneurons: implications for understanding schizophrenia and bipolar disorder. Neuropsychopharmacology, 25(1): 1–27

[3] Berbari N F, Lewis  J S, Bishop  G A, Askwith  C C, Mykytyn  K (2008). Bardet-Biedl syndrome proteins are required for the localization of G protein-coupled receptors to primary cilia. Proc Natl Acad Sci USA, 105(11): 4242–4246 

[4] Berbari N F, O’Connor  A K, Haycraft  C J, Yoder  B K (2009). The primary cilium as a complex signaling center. Curr Biol, 19(13): R526–R535

[5] Bishop G A, Berbari  N F, Lewis  J, Mykytyn K  (2007). Type III adenylyl cyclase localizes to primary cilia throughout the adult mouse brain. J Comp Neurol, 505(5): 562–571 

[6] Breunig J J, Sarkisian  M R, Arellano  J I, Morozov  Y M, Ayoub  A E, Sojitra  S, Wang B ,  Flavell R A ,  Rakic P ,  Town T (2008). Primary cilia regulate hippocampal neurogenesis by mediating sonic hedgehog signaling. Proc Natl Acad Sci USA, 105(35): 13127–13132

[7] Bruce A J, Boling  W, Kindy M S ,  Peschon J ,  Kraemer P J ,  Carpenter M K ,  Holtsberg F W ,  Mattson M P  (1996). Altered neuronal and microglial responses to excitotoxic and ischemic brain injury in mice lacking TNF receptors. Nat Med, 2(7): 788–794

[8] Buendia B, Bre  M H, Griffiths  G, Karsenti E  (1990). Cytoskeletal control of centrioles movement during the establishment of polarity in Madin-Darby canine kidney cells. J Cell Biol, 110(4): 1123–1135

[9] Busceti C L, Biagioni  F, Aronica E ,  Riozzi B ,  Storto M ,  Battaglia G ,  Giorgi F S ,  Gradini R ,  Fornai F ,  Caricasole A ,  Nicoletti F ,  Bruno V  (2007). Induction of the Wnt inhibitor, Dickkopf-1, is associated with neurodegeneration related to temporal lobe epilepsy. Epilepsia, 48(4): 694–705

[10] Coyle P (1976). Vascular patterns of the rat hippocampal formation. Exp Neurol, 52(3): 447–458

[11] Curia G, Longo  D, Biagini G ,  Jones R S ,  Avoli M  (2008). The pilocarpine model of temporal lobe epilepsy. J Neurosci Methods, 172(2): 143–157

[12] DeCaen P G, Delling  M, Vien T N ,  Clapham D E  (2013). Direct recording and molecular identification of the calcium channel of primary cilia. Nature, 504(7479): 315–318

[13] Dorr A, Sled  J G, Kabani  N (2007). Three-dimensional cerebral vasculature of the CBA mouse brain: a magnetic resonance imaging and micro computed tomography study. Neuroimage, 35(4): 1409–1423 

[14] Dutta R, McDonough  J, Chang A ,  Swamy L ,  Siu A, Kidd  G J, Rudick  R, Mirnics K ,  Trapp B D  (2007). Activation of the ciliary neurotrophic factor (CNTF) signalling pathway in cortical neurons of multiple sclerosis patients. Brain, 130(10): 2566–2576

[15] Einstein E B, Patterson  C A, Hon  B J, Regan  K A, Reddi  J, Melnikoff D E ,  Mateer M J ,  Schulz S ,  Johnson B N ,  Tallent M K  (2010). Somatostatin signaling in neuronal cilia is critical for object recognition memory. J Neurosci, 30(12): 4306–4314

[16] Fuchs J L, Schwark  H D (2004). Neuronal primary cilia: a review. Cell Biol Int, 28(2): 111–118

[17] Garcia J H, Yoshida  Y, Chen H ,  Li Y, Zhang  Z G, Lian  J, Chen S ,  Chopp M  (1993). Progression from ischemic injury to infarct following middle cerebral artery occlusion in the rat. Am J Pathol, 142: 623–635

[18] Goetz S C, Anderson  K V (2010). The primary cilium: a signalling centre during vertebrate development. Nat Rev Genet, 11(5): 331–344

[19] Han Y G, Alvarez-Buylla  A (2010). Role of primary cilia in brain development and cancer. Curr Opin Neurobiol, 20(1): 58–67

[20] Han Y G, Spassky  N, Romaguera-Ros M ,  Garcia-Verdugo J M ,  Aguilar A ,  Schneider-Maunoury S ,  Alvarez-Buylla A  (2008). Hedgehog signaling and primary cilia are required for the formation of adult neural stem cells. Nat Neurosci, 11(3): 277–284

[21] Handel M, Schulz  S, Stanarius A ,  Schreff M ,  Erdtmann-Vourliotis M ,  Schmidt H ,  Wolf G, Hollt  V (1999). Selective targeting of somatostatin receptor 3 to neuronal cilia. Neuroscience, 89(3): 909–926

[22] Huang L T, Yang  S N, Liou  C W, Hung  P L, Lai  M C, Wang  C L, Wang  T J (2002). Pentylenetetrazol-induced recurrent seizures in rat pups: time course on spatial learning and long-term effects. Epilepsia, 43(6): 567–573

[23] Inose Y, Kato  Y, Kitagawa K ,  Uchiyama S ,  Shibata N  (2015). Activated microglia in ischemic stroke penumbra upregulate MCP-1 and CCR2 expression in response to lysophosphatidylcholine derived from adjacent neurons and astrocytes. Neuropathology, 35(3): 209–223

[24] Irle E, Markowitsch  H J (1982). Connections of the hippocampal formation, mamillary bodies, anterior thalamus and cingulate cortex. A retrograde study using horseradish peroxidase in the cat. Exp Brain Res, 47(1): 79–94 

[25] Ishikawa H, Marshall  W F (2011). Ciliogenesis: building the cell’s antenna. Nat Rev Mol Cell Biol, 12(4): 222–234

[26] Khan A A, Mao  X O, Banwait  S, DerMardirossian C M ,  Bokoch G M ,  Jin K, Greenberg  D A (2008). Regulation of hypoxic neuronal death signaling by neuroglobin. FASEB J, 22(6): 1737–1747

[27] Kumamoto N, Gu  Y, Wang J ,  Janoschka S ,  Takemaru K ,  Levine J ,  Ge S (2012). A role for primary cilia in glutamatergic synaptic integration of adult-born neurons. Nat Neurosci, 15: 399–405, S391

[28] Lee J E, Gleeson  J G (2011). Cilia in the nervous system: linking cilia function and neurodevelopmental disorders. Curr Opin Neurol, 24(2): 98–105

[29] Madsen T M, Newton  S S, Eaton  M E, Russell  D S, Duman  R S (2003). Chronic electroconvulsive seizure up-regulates beta-catenin expression in rat hippocampus: role in adult neurogenesis. Biol Psychiatry, 54(10): 1006–1014

[30] Maguschak K A ,  Ressler K J  (2012). The dynamic role of beta-catenin in synaptic plasticity. Neuropharmacology, 62(1): 78–88

[31] Marchi N, Oby  E, Batra A ,  Uva L, De Curtis  M, Hernandez N ,  Van Boxel-Dezaire A ,  Najm I, Janigro  D (2007). In vivo and in vitro effects of pilocarpine: relevance to ictogenesis. Epilepsia, 48(10): 1934–1946

[32] Massinen S, Hokkanen  M E, Matsson  H, Tammimies K ,  Tapia-Paez I ,  Dahlstrom-Heuser V ,  Kuja-Panula J ,  Burghoorn J ,  Jeppsson K E ,  Swoboda P ,  Peyrard-Janvid M ,  Toftgård R ,  Castrén E ,  Kere J (2011). Increased expression of the dyslexia candidate gene DCDC2 affects length and signaling of primary cilia in neurons. PLoS One, 6(6): e20580

[33] Ota A, Ikeda  T, Ikenoue T ,  Toshimori K  (1997). Sequence of neuronal responses assessed by immunohistochemistry in the newborn rat brain after hypoxia-ischemia. Am J Obstet Gynecol, 177(3): 519–526

[34] Pan W X, Mao  T, Dudman J T  (2010). Inputs to the dorsal striatum of the mouse reflect the parallel circuit architecture of the forebrain. Front Neuroanat, 4: 147

[35] Parent J M, Elliott  R C, Pleasure  S J, Barbaro  N M, Lowenstein  D H (2006). Aberrant seizure-induced neurogenesis in experimental temporal lobe epilepsy. Ann Neurol, 59(1): 81–91

[36] Parker A K, Le  M M, Smith  T S, Hoang-Minh  L B, Atkinson  E W, Ugartemendia  G, Semple-Rowland S ,  Coleman J E ,  Sarkisian M R  (2016). Neonatal seizures induced by pentylenetetrazol or kainic acid disrupt primary cilia growth on developing mouse cortical neurons. Exp Neurol, 282: 119–127

[37] Pedersen L B, Rosenbaum  J L (2008). Intraflagellar transport (IFT) role in ciliary assembly, resorption and signalling. Curr Top Dev Biol, 85: 23–61

[38] Pessoa D, Cruz  R, Machado B ,  Tenorio B ,  Nogueira R  (2016). Analysis of electrocorticographic patterns in rats fed standard or hyperlipidic diets in a normal state or during status epilepticus. Nutr Neurosci, 19(5): 206–212

[39] Quinlan R J, Tobin  J L, Beales  P L (2008). Modeling ciliopathies: Primary cilia in development and disease. Curr Top Dev Biol, 84: 249–310

[40] Rhee S, Kirschen  G W, Gu  Y, Ge S  (2016). Depletion of primary cilia from mature dentate granule cells impairs hippocampus-dependent contextual memory. Sci Rep, 6: 34370

[41] Rowley S, Liang  L P, Fulton  R, Shimizu T ,  Day B, Patel  M (2015). Mitochondrial respiration deficits driven by reactive oxygen species in experimental temporal lobe epilepsy. Neurobiol Dis, 75: 151–158

[42] Sierra A, Martin-Suarez  S, Valcarcel-Martin R ,  Pascual-Brazo J ,  Aelvoet S A ,  Abiega O ,  Deudero J J ,  Brewster A L ,  Bernales I ,  Anderson A E ,  Baekelandt V ,  Maletić-Savatić M ,  Encinas J M  (2015). Neuronal hyperactivity accelerates depletion of neural stem cells and impairs hippocampal neurogenesis. Cell Stem Cell, 16(5): 488–503

[43] Singla V, Reiter  J F (2006). The primary cilium as the cell’s antenna: signaling at a sensory organelle. Science, 313(5787): 629–633

[44] Spruston N (2008). Pyramidal neurons: dendritic structure and synaptic integration. Nat Rev Neurosci, 9(3): 206–221

[45] Theilhaber J, Rakhade  S N, Sudhalter  J, Kothari N ,  Klein P ,  Pollard J ,  Jensen F E  (2013). Gene expression profiling of a hypoxic seizure model of epilepsy suggests a role for mTOR and Wnt signaling in epileptogenesis. PLoS One, 8(9): e74428

[46] Valente E M, Rosti  R O, Gibbs  E, Gleeson J G  (2014). Primary cilia in neurodevelopmental disorders. Nat Rev Neurol, 10(1): 27–36

[47] Wang Z, Phan  T, Storm D R  (2011). The type 3 adenylyl cyclase is required for novel object learning and extinction of contextual memory: role of cAMP signaling in primary cilia. J Neurosci, 31(15): 5557–5561

[48] Ware S M, Aygun  M G, Hildebrandt  F (2011). Spectrum of clinical diseases caused by disorders of primary cilia. Proc Am Thorac Soc, 8(5): 444–450

[49] Winter C G, Saotome  Y, Levison S W ,  Hirsh D  (1995). A role for ciliary neurotrophic factor as an inducer of reactive gliosis, the glial response to central nervous system injury. Proc Natl Acad Sci USA, 92(13): 5865–5869

[50] Wolf H K, Buslei  R, Schmidt-Kastner R ,  Schmidt-Kastner P K ,  Pietsch T ,  Wiestler O D ,  Blumcke I  (1996). NeuN: a useful neuronal marker for diagnostic histopathology. J Histochem Cytochem, 44(10): 1167–1171

[51] Yagita Y, Kitagawa  K, Ohtsuki T ,  Takasawa K ,  Miyata T ,  Okano H ,  Hori M, Matsumoto  M (2001). Neurogenesis by progenitor cells in the ischemic adult rat hippocampus. Stroke, 32(8): 1890–1896

[52] Yin Y, Zhao  X, Fang Y ,  Huang L  (2010). Carotid artery wire injury mouse model with a nonmicrosurgical procedure. Vascular, 18(4): 221–226

[53] Yoder B K (2007). Role of primary cilia in the pathogenesis of polycystic kidney disease. J Am Soc Nephrol, 18(5): 1381–1388

[54] Zhao C, Teng  E M, Summers  R G Jr, Ming  G L, Gage  F H (2006). Distinct morphological stages of dentate granule neuron maturation in the adult mouse hippocampus. J Neurosci, 26(1): 3–11 

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg