Förderung der induzierten Neurogenese im zerebralen Kortex der Maus durch Aktivierung lokaler Mikroschaltkreise

• Antragsteller: Professor Dr. Benedikt Berninger
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 357058359

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Direkte Reprogrammierung von Glia in induzierte Neurone ist eine experimentelle Strategie, um Neurone im Kontext zell-basierter Reparatur von erkrankten Hirnschaltkreisen zu regenerieren. Herausforderungen im Feld sind insbesondere die Konvertierung von Glia in subtypspezifische Neurone sowie deren funktionelle Ausreifung, um eine Wiederherstellung funktioneller Ausfälle zu gewährleisten. Das abgeschlossene Projekt zielte darauf ab, Strategien zu entwickeln, um eine verbesserte Netzwerkintegration der induzierten Neurone im zerebralen Kortex der Maus, einer nicht-neurogenen Region des Säugerzentralnervensystems, zu ermöglichen. Spezifische Ziele waren die Untersuchung (i) der Entwicklung von synaptischen Ein- und Ausgänge induzierter Neurone, (ii) der Effekte veränderter elektrischer Aktivität von induzierten Neuronen auf ihre Reifung und Netzwerkintegration, (iii) der Effekte veränderter Mikroschaltkreisaktivität auf die Integration induzierter Neurone und (iv) der Effekte von Netzwerkaktivität auf die Genexpression in induzierten Neuronen. Während der Förderperiode und in der Nachfolgezeit gelang es uns zu zeigen, dass induzierte Neurone nicht nur funktionelle synaptische Eingänge erhalten, sondern auch in der Lage sind, funktionelle Ausgänge zu generieren, was darauf hindeutet, dass sie tatsächlich degenerierte Neurone ersetzen könnten. Besonders bedeutungsvoll war die Beobachtung in einem Mausmodell von Temporallappenepilepsie, dass induzierte inhibitorische Neurone exzitatorische Körnerzellen im Gyrus dentatus im chronisch epileptischen Hippocampus inhibieren können und somit die Funktion von degenerierten Interneuronen zumindest teilweise übernehmen können. Während eine Erhöhung der Aktivität in induzierten Neuronen nur einen geringen Effekt auf ihr Überleben und ihre funktionelle Ausreifung ausübte, konnten wir beobachten, dass posttranslationale Regulation von pro-neuralen Reprogrammierungsfaktoren ein Schlüsselmechanismus darstellen könnte für neuronale Subtypspezifizierung und funktionelle Ausreifung: Austausch von Wildtyp Achaete scute complex like-1 (Ascl1) im Reprogrammierungsfaktor- Cocktail durch ein mutiertes Ascl1, in dem sechs Serin-Reste durch Alanin ersetzt und somit potenzielle Phosphorylierungsstellen eliminiert wurden (Ascl1SA6), führte nicht nur zu einer verstärkten neurogenen Aktivität, sondern auch zur Ausprägung von Schlüsseleigenschaften einer Subklasse von GABAergen Interneuronen, exemplifiziert durch Parvalbumin- Expression und das Feuern hochfrequenter Aktionspotenzialsalven (>100Hz). Schließlich konnten wir anhand eines in vitro-Modells neuronaler Reprogrammierung zeigen, dass induzierte Neurone ihre Genexpression ändern, wenn sich die globale Netzwerkaktivität ändert. Unsere Forschungsarbeit liefert wichtige Hinweise auf die Kapazität von induzierten Neuronen, verlorengegangene Funktionen wiederherzustellen, sowie ihr Potenzial Subtyp-spezifische neuronale Eigenschaften auszubilden und auf Änderungen in der Netzwerkaktivität zu reagieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Direct pericyte-to-neuron reprogramming via unfolding of a neural stem cell-like program. Nature Neuroscience, 21(7), 932-940.
  Karow, Marisa; Camp, J. Gray; Falk, Sven; Gerber, Tobias; Pataskar, Abhijeet; Gac-Santel, Malgorzata; Kageyama, Jorge; Brazovskaja, Agnieska; Garding, Angela; Fan, Wenqiang; Riedemann, Therese; Casamassa, Antonella; Smiyakin, Andrej; Schichor, Christian; Götz, Magdalena; Tiwari, Vijay K.; Treutlein, Barbara & Berninger, Benedikt
  
• Reprogramming reactive glia into interneurons reduces chronic seizure activity in a mouse model of mesial temporal lobe epilepsy. Cell Stem Cell, 28(12), 2104-2121.e10.
  Lentini, Célia; d.’Orange, Marie; Marichal, Nicolás; Trottmann, Marie-Madeleine; Vignoles, Rory; Foucault, Louis; Verrier, Charlotte; Massera, Céline; Raineteau, Olivier; Conzelmann, Karl-Klaus; Rival-Gervier, Sylvie; Depaulis, Antoine; Berninger, Benedikt & Heinrich, Christophe
  
• Corrigendum: Enhanced proliferation of oligodendrocyte progenitor cells following retrovirus mediated Achaete-scute complex-like 1 overexpression in the postnatal cerebral cortex in vivo. Frontiers in Neuroscience, 17.
  Galante, Chiara; Marichal, Nicolás; Scarante, Franciele Franco; Ghayad, Litsa Maria; Shi, Youran; Schuurmans, Carol; Berninger, Benedikt & Péron, Sophie
  
• Lmo4 synergizes with Fezf2 to promote direct in vivo reprogramming of upper layer cortical neurons and cortical glia towards deep-layer neuron identities. PLOS Biology, 21(8), e3002237.
  Felske, Torsten; Tocco, Chiara; Péron, Sophie; Harb, Kawssar; Alfano, Christian; Galante, Chiara; Berninger, Benedikt & Studer, Michèle
  
• Programming of neural progenitors of the adult subependymal zone towards a glutamatergic neuron lineage by neurogenin 2. Stem Cell Reports, 18(12), 2418-2433.
  Péron, Sophie; Miyakoshi, Leo M.; Brill, Monika S.; Manzano-Franco, Diana; Serrano-López, Julia; Fan, Wenqiang; Marichal, Nicolás; Ghanem, Alexander; Conzelmann, Karl-Klaus; Karow, Marisa; Ortega, Felipe; Gascón, Sergio & Berninger, Benedikt
  
• Reprogramming early cortical astroglia into neurons with hallmarks of fast-spiking parvalbumin-positive interneurons by phospho-site deficient Ascl1. Cold Spring Harbor Laboratory.
  Marichal, Nicolás; Péron, Sophie; Beltran, Arranz Ana; Galante, Chiara; Scarante, Franciele Franco; Wiffen, Rebecca; Schuurmans, Carol; Karow, Marisa; Gascón, Sergio & Berninger, Benedikt