Zerebrale Organoide als Model des neuronalen Phänotyps von nicht-muskulären Aktinopathien

• Antragstellerin: Professorin Dr. Nataliya Di Donato
• Fachliche Zuordnung: Molekulare und zelluläre Neurologie und Neuropathologie ; Humangenetik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433057035

Das Projekt konzentriert sich auf die Untersuchung neuronaler Differenzierung bei dem Vorhandensein von beta und gamma Aktin-Mutationen. Wir beantragen die Durchführung von droplet-based single cell RNA-Sequenzierung, um die Zelldiversität in Gehirnorganoiden, die von Patienten mit Mutationen in ACTB und ACTG1 hergestellt wurden, mit Organoiden von Kontrollzelllinien und CRISPR/Cas-reparierten Zelllinien zu vergleichen.ACTB und ACTG1 kodieren für zwei nicht-muskuläre Aktine, die die wesentlichen Aktin-Isoformen in neuronalen Zellen darstellen. Auf Proteinebene unterscheiden sich diese beiden Isoformen nur durch vier N-terminale Aminosäuren. Allerdings erhalten diese Isoformen unterschiedliche, posttranslationale Modifikationen und haben spezifische, nicht-redundante Funktionen. In Fibroblasten sowie epithelialen und endothelialen Zellen reichert sich gamma-Aktin in Netzwerken unterhalb der Zellmembran an und ist mit Zellmigration assoziiert; beta Aktin ist hingegen in kontraktilen Prozessen impliziert und ist dementsprechend in Stressfasern und Zell-Zell-Kontakten lokalisiert. Studien, die die Aktin-Isoform-Expression in neuronalem Gewebe untersuchten, zeigten widersprüchliche Ergebnisse. Es gibt noch keine Daten für Isoform-spezifische Funktionen in neuronalen Zellen.Heterozygote Mutationen in ACTB und ACTG1 verursachen eine Gruppe monogener Erkrankungen, die mit dem Sammelbegriff “nicht-muskuläre Aktinopathien (NMAs)” zusammengefasst werden. Aufgrund der vielfältigen Rollen des Aktin-Zytoskeletts in Gehirnzellen ist die primäre Assoziation von NMAs mit geistiger Behinderung offensichtlich. Strukturelle Fehlbildung – Lissenzephalie – ist ein Teil des klinischen Spektrums von NMAs. Lissenzephalie ist als eine Fehlbildung der kortikalen Entwicklung definiert, die durch unvollständige, neuronale Migration verursacht wird. Unsere vorläufigen Experimente mit Gehirnorganoiden von Patienten mit ACTB- und ACTG1-Mutationen zeigen jedoch eindeutig eine abnormale Bildung des Neuroepithels, die andeutet, dass bereits frühe und sehr wahrscheinlich verschiedene Entwicklungsschritte und nicht nur die neuronale Migration gestört sind.Der Phänotyp von NMAs ist, sogar in Patienten mit der gleichen Mutation, variabel und kortikale Fehlbildungen sind in einigen aber nicht allen Patienten vorhanden. Unser Set an Experimenten ist so entworfen, dass wir extrinsische (z.B. Hypoxie) Einflüsse auf die Entwicklung der Organoide mit der ACTB hot-spot Mutation erforschen, indem wir die Zelldiversität durch single cell RNA-Sequenzierung untersuchen.Am Ende des Projekts erwarten wir Einblicke in die Aktin-abhängige Regulation der neuronalen Differenzierung zu erhalten. Zusätzlich erwarten wir die Rolle der pränatalen Risiken in der klinischen Variabilität der NMAs und in der Aktin-Funktion während der neuronalen Entwicklung aufzuschlüsseln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen