Please wait a minute...
Frontiers in Biology

ISSN 1674-7984

ISSN 1674-7992(Online)

CN 11-5892/Q

Front. Biol.    2017, Vol. 12 Issue (2) : 124-138    https://doi.org/10.1007/s11515-017-1447-1
RESEARCH ARTICLE
The radial organization of neuronal primary cilia is acutely disrupted by seizure and ischemic brain injury
Gregory W. Kirschen1,2,3, Hanxiao Liu3, Tracy Lang3,4, Xuelin Liang3, Shaoyu Ge3, Qiaojie Xiong3()
1. Medical Scientist Training Program (MSTP), Stony Brook University, Stony Brook, NY 11794, USA
2. Molecular & Cellular Pharmacology Program, Stony Brook University, Stony Brook, NY 11794, USA
3. Department of Neurobiology & Behavior, Stony Brook University, Stony Brook, NY 11794, USA
4. Simons Summer Research Program (SSRP)
 Download: PDF(2519 KB)   HTML
 Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks
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     
Corresponding Author(s): Qiaojie Xiong   
Just Accepted Date: 17 February 2017   Online First Date: 20 March 2017    Issue Date: 14 April 2017
 Cite this article:   
Gregory W. Kirschen,Hanxiao Liu,Tracy Lang, et al. The radial organization of neuronal primary cilia is acutely disrupted by seizure and ischemic brain injury[J]. Front. Biol., 2017, 12(2): 124-138.
 URL:  
https://academic.hep.com.cn/fib/EN/10.1007/s11515-017-1447-1
https://academic.hep.com.cn/fib/EN/Y2017/V12/I2/124
Fig.1  Neuronal primary cilia are radially aligned throughout the cortex.
Fig.2  Neuronal primary cilia alignment in the cortex.
Fig.3  Neuronal primary cilia alignment in dorsal striatum, thalamus, and dentate gyrus.
Fig.4  Distribution of neuronal primary cilia angles and positions in dorsal striatum, thalamus, and dentate gyrus.
Fig.5  Pilocarpine-induced seizure disrupted primary cilia alignment in cortical neurons.
Fig.6  Pilocarpine-induced seizure disrupted primary cilia alignment in hippocampal and striatal neurons.
Fig.7  Internal carotid artery occlusion disrupted primary cilia alignment in cortical neurons.
Fig.8  Internal carotid artery occlusion affected primary cilia alignment in the dentate gyrus but not in striatum or thalamus.
Fig.9  Primary cilia length and number in seizure and ischemia.
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
https://doi.org/10.1006/exnr.2001.7834
2 Benes F M, Berretta  S (2001). GABAergic interneurons: implications for understanding schizophrenia and bipolar disorder. Neuropsychopharmacology, 25(1): 1–27
https://doi.org/10.1016/S0893-133X(01)00225-1
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 
https://doi.org/10.1073/pnas.0711027105
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
https://doi.org/10.1016/j.cub.2009.05.025
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 
https://doi.org/10.1002/cne.21510
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
https://doi.org/10.1073/pnas.0804558105
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
https://doi.org/10.1038/nm0796-788
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
https://doi.org/10.1083/jcb.110.4.1123
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
https://doi.org/10.1111/j.1528-1167.2007.01055.x
10 Coyle P (1976). Vascular patterns of the rat hippocampal formation. Exp Neurol, 52(3): 447–458
https://doi.org/10.1016/0014-4886(76)90216-8
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
https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2008.04.019
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
https://doi.org/10.1038/nature12832
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 
https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2006.12.040
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
https://doi.org/10.1093/brain/awm206
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
https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.5295-09.2010
16 Fuchs J L, Schwark  H D (2004). Neuronal primary cilia: a review. Cell Biol Int, 28(2): 111–118
https://doi.org/10.1016/j.cellbi.2003.11.008
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
https://doi.org/10.1038/nrg2774
19 Han Y G, Alvarez-Buylla  A (2010). Role of primary cilia in brain development and cancer. Curr Opin Neurobiol, 20(1): 58–67
https://doi.org/10.1016/j.conb.2009.12.002
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
https://doi.org/10.1038/nn2059
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
https://doi.org/10.1016/S0306-4522(98)00354-6
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
https://doi.org/10.1046/j.1528-1157.2002.29101.x
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
https://doi.org/10.1111/neup.12182
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 
https://doi.org/10.1007/BF00235889
25 Ishikawa H, Marshall  W F (2011). Ciliogenesis: building the cell’s antenna. Nat Rev Mol Cell Biol, 12(4): 222–234
https://doi.org/10.1038/nrm3085
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
https://doi.org/10.1096/fj.07-100784
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
https://doi.org/10.1097/WCO.0b013e3283444d05
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
https://doi.org/10.1016/S0006-3223(03)00700-5
30 Maguschak K A ,  Ressler K J  (2012). The dynamic role of beta-catenin in synaptic plasticity. Neuropharmacology, 62(1): 78–88
https://doi.org/10.1016/j.neuropharm.2011.08.032
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
https://doi.org/10.1111/j.1528-1167.2007.01185.x
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
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0020580
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
https://doi.org/10.1016/S0002-9378(97)70139-X
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
https://doi.org/10.3389/fnana.2010.00147
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
https://doi.org/10.1002/ana.20699
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
https://doi.org/10.1016/j.expneurol.2016.05.015
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
https://doi.org/10.1016/S0070-2153(08)00802-8
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
https://doi.org/10.1179/1476830515Y.0000000033
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
https://doi.org/10.1016/S0070-2153(08)00605-4
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
https://doi.org/10.1038/srep34370
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
https://doi.org/10.1016/j.nbd.2014.12.025
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
https://doi.org/10.1016/j.stem.2015.04.003
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
https://doi.org/10.1126/science.1124534
44 Spruston N (2008). Pyramidal neurons: dendritic structure and synaptic integration. Nat Rev Neurosci, 9(3): 206–221
https://doi.org/10.1038/nrn2286
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
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0074428
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
https://doi.org/10.1038/nrneurol.2013.247
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
https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.6561-10.2011
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
https://doi.org/10.1513/pats.201103-025SD
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
https://doi.org/10.1073/pnas.92.13.5865
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
https://doi.org/10.1177/44.10.8813082
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
https://doi.org/10.1161/01.STR.32.8.1890
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
https://doi.org/10.2310/6670.2010.00031
53 Yoder B K (2007). Role of primary cilia in the pathogenesis of polycystic kidney disease. J Am Soc Nephrol, 18(5): 1381–1388
https://doi.org/10.1681/ASN.2006111215
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 
https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.3648-05.2006
[1] FIB-10447-OF-QJX_suppl_1 Download
[1] Martha Hvoslef-Eide,Charlotte A. Oomen. Adult neurogenesis and pattern separation in rodents: A critical evaluation of data, tasks and interpretation[J]. Front. Biol., 2016, 11(3): 168-181.
[2] Cristina V. Dieni,Adam J. Wieckert,Linda Overstreet-Wadiche. Development of glutamatergic innervation during maturation of adult-born neurons[J]. Front. Biol., 2015, 10(4): 310-320.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed