Kortikale Vorderhirn-Organoide zur Entschlüsselung molekularer Mechanismen bei der EML1 induzierten ‘ribbon-like‘ subkortikalen Heterotopie

• Antragstellerin: Dr. Julia Ladewig
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie ; Entwicklungsbiologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448223086

Das Gehirn ist ein hochorganisiertes Organ, dessen evolutionäre Weiterentwicklung hin zur Komplexität des Menschen nur bedingt verstanden ist. Seine Entwicklung erfordert eine präzise Choreographie von Neurogenese, neuronaler Migration und Synaptogenese. Fehlbildungen bei der Entstehung der Großhirnrinde können schwerwiegende Folgen wie Epilepsie und intellektuelle Beeinträchtigungen nach sich ziehen. Traditionell bedienen wir uns Modelorganismen, um Gehirnentwicklung zu erforschen. Diese spiegeln jedoch nur bedingt ein getreues Abbild der menschlichen Gehirnentwicklung wieder, da es große strukturelle Unterschiede im Aufbau insbesondere der Großhirnrinde zwischen zum Beispiel der Maus und dem Menschen gibt. Durch die Möglichkeit induzierte pluripotente Stamm (iPS) Zellen und sogenannte Organoide, dreidimensionale Kulturmodelle welche gewisse Aspekte der menschliche Gehirnentwicklung in vitro rekapitulieren, zu generieren, in Kombination mit neusten Methoden für die Manipulation von Genen und der Einzelzelltranskriptionsanalyse, sind wir nun technologisch in der Lage die molekularen Veränderungen zu entschlüsseln, die durch die Fehlfunktion einzelner Gene zu Störungen der menschlichen Gehirnentwicklung führen.In dem hier beantragten Projekt soll die Funktion des EML1 Gens untersucht werden, dessen Fehlfunktion zu einer Band (ribbon)-ähnlichen subkortikalen Heterotopie beim Menschen führt. Das Gehirn von Patienten mit EML1 Mutationen weißt eine Megalenzephalie auf mit einer sehr charakteristischen ‘ribbon-like‘ Heterotopie und einer Polymikrogyrie im Bereich der äußeren Subventrikularzone. Unsere Arbeitshypothese besteht darin, dass neuronale Vorläuferzellen, insbesondere im menschlichen Gehirn, eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Krankheitsphänotyps spielen könnten. Als Modelsystem werden wir iPS Zellen direkt von Patienten einsetzen, sowie isogene iPS Zell Paare, welche durch CRISPR/Cas9 Gen-Editierung hergestellt werden. Unsere präliminieren Daten zeigen, dass in einem solchen System wesentliche Aspekte von EML1 induzierten Heterotopie dargestellt werden können. Wir werden in diesem Projekt eingehend die Histoarchitektur des sich entwickelnden Gehirns, das Verhalten der Vorläuferzellen und die Expressionsmuster verschiedener Zelltypen im Organoid-System untersuchen. Unsere Analysen umfassen unter anderem immunhistochemische Untersuchungen, die Verfolgung von Zellteilung und Migration mittels Lebendzellaufnahmen und die Erstellung transkriptioneller Profile auf Einzelzellebene. Wir erwarten, dass unser Organoidmodell für die EML1-induzierte ‘ribbon-like‘ subkortikale Heterotopie dazu beitragen wird, ein detailliertes Wissen bezüglich beeinträchtigter Abläufe während der frühen kortikalen Entwicklung des Menschen zu erlangen und die Rolle von EML1 bei der menschlichen Hirnentwicklung im Speziellen aufzuklären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen