Untersuchung der Auswirkungen von HCN/h-Schrittmacherkanaldefizienz auf die Funktion von Kortex-Basalganglienschleifen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Neuronen mit Schrittmachereigenschaften können in allen Basalganglienkernen gefunden werden. Man geht davon aus, dass sie zur Erzeugung rhythmischer lokaler sowie globaler Netzwerkaktivitäten beitragen, um motorische Funktion und Verhalten zu ermöglichen. HCN-Kanäle, auch als Schrittmacherkanäle bekannt, sind in vielen Neuronentypen mit und ohne Schrittmacheraktivitäten vorhanden. Dies schließt einige Basalganglienkerne und -neuronen ein. Wir stellten die Hypothese auf, dass ein Verlust von HCN-Kanälen die Feuermuster dieser Neuronen sowie die synaptische Aktivität und Netzwerkaktivitäten verändern und somit die kognitiven und motorischen Funktionen beeinträchtigen würde. Mit Hilfe eines konditionalen transgenen Ansatzes zur Kontrolle von HCN-Kanalaktivität in Vorderhirn-projizierenden Neuronen fanden wir heraus, dass der lebenslange Verlust der HCN-Kanalfunktion mit einer verzögerten somatomotorischen Entwicklung und psychomotorischen Störungen, darunter Hyperaktivität und stereotypes Verhalten, assoziiert waren. Die Beschränkung des Verlustes normaler HCN-Kanalfunktion auf die ersten drei postnatalen Wochen hatte keinen positiven Einfluss auf die lokomotorische Hyperaktivität, was auf Veränderungen in der Entwicklung hindeutet, die durch eine einfache Wiederherstellung der HCN-Kanalfunktion zu einem späteren Zeitpunkt in der Entwicklung nicht reversibel sind. Ebenso konnte die bewegungsmotorische Hyperaktivität nicht durch die Gabe von Methylphenidat, das gewöhnlich zur Behandlung von Aufmerksamkeitsdefizitstörungen (ADHD) eingesetzt wird, verbessert werden. Die HCN-Kanal-defizienten Mutanten reagierten jedoch auf Antipsychotika, insbesondere auf D2- Dopaminrezeptor-Antagonisten, was darauf schließen lässt, dass der Verlust von HCN-Kanälen in der Entwicklung in Vorderhirn-projizierenden Neuronen dauerhafte Veränderungen in kortikobasalen Schaltkreisen und in der dopaminergen Signalgebung, wie z.B. einen Anstieg im D2-Rezeptortonus, verursacht. Da diese Beobachtung Anlass zur Vermutung gibt, dass diese Veränderungen auch zu den veränderten Gangeigenschaften führen, ist es nunmehr unser Ziel, den D2-Rezeptortonus, intrinsische Eigenschaften, die Exzitations-/Inhibitionsbalance sowie die in vivo Feuereigenschaften striataler Projektionsneurone (MSNs) zu quantifizieren und die Aktivität des sich entwickelnden dopaminergen Systems zu modulieren, indem wir auf pharmakologische oder chemogenetische Ansätze zurückgreifen. Ein unerwartetes Ergebnis erhielten wir, als wir eine neue Mauslinie generierten, um herauszufinden, ob der Verlust von HCN-Kanälen ebenfalls eine Bewegungsstörung in Mäusen verursachen würde, wenn die transgene Expression durch den Vorderhin-spezifischen Promotor EMX1 initiiert wurde, der schon am embryonalen Tag 9.5 aktiv ist. EMX1-Mutanten entwickelten unerwarteter Weise einen primären Mikrozephalie-Phänotyp, der zu schweren Veränderungen in der Vorderhirnmorphologie und zu einer deutlichen Reduktion der Kortexgröße sowie zu fehlenden hippocampalen Schichten führte, was darauf hindeutet, dass HCN-Kanäle entscheidend an der Regulation der Proliferation von neuralen Progenitoren beteiligt sind. Unsere kombinierten Ergebnisse aus transgenen Mauslinien und kortikalen Stammzellen in Kultur zeigten, dass der Verlust von HCN-Kanalfunktion die neurale Stammzell-Proliferation durch die negative Beeinflussung der Zellzyklus-Entwicklung beeinträchtigte, was zu G1-Akkumulation und zu ausgeprägter Mikrozephalie in Mäusen führte. Wir stellen daher die Hypothese auf, dass dieser Mechanismus zur Mikrozephalie in Patient*innen mit HCN1-assoziierter epileptischer Enzephalopathie beiträgt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2018. Embryonic loss of HCN/hchannel function in mouse forebrain results in impaired neural progenitor proliferation and microcephaly. FENS Forum, Abstract: 467
Schlusche AK, Vay SU, Sandke S, Campos Martin R, Kleinenkuhnen N, Florio M, Huttner W, Tresch A, Roeper J, Stockebrand M, Rueger MA, Jakovcevski I, Isbrandt D
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2018. Loss of I(h) is associated with neurodevelopmental disorders in mice. FENS Forum, Abstract 1807. Berlin
Merseburg A, Neu A, Jakovcevski I, Huang Z, Shah M, Morellini F, Isbrandt D
