Modellierung des Bosch-Boonstra-Schaaf-Optikusatrophie-Syndroms in menschlichen neuralen 3D-Organoiden: Zelltypspezifische Expression und Funktion von NR2F1.

• Antragstellerin: Magdalena Laugsch, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Humangenetik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450057775

Der Transkriptionsfaktor NR2F1 reguliert die Expression zahlreicher Gene, die die Entwicklung von Vorläuferzellen (NPC) und kortikalen Neuronen (CN) im Gehirn sowie von Neuralleistenzellen (CNCC) der kraniofazialen Strukturen (Kopf und Gesicht) steuern. Mutationen oder Deletionen von NR2F1 führen zum Bosch-Boonstra-Schaaf-Optikusatrophie-Syndrom (BBSOAS), das sich durch Entwicklungsverzögerung, geistige Behinderung, Optikusatrophie und kraniofaziale Anomalien zeigt. Alle beschriebenen BBSOAS-Fälle mit NR2F1-Deletionen umfassen auch den Lokus der benachbarten langen nichtkodierenden RNA lncNR2F1. Es wurde gezeigt, dass das lncNR2F1-Transkript die NR2F1-Expression nicht reguliert. Der Einfluss regulatorischer Elemente innerhalb des lncNR2F1-Lokus auf die NR2F1-Expression ist bislang nicht geklärt. In unserem laufenden DFG-geförderten Projekt untersuchen wir die Wirkungen der Deletion von lncNR2F1 auf die NR2F1 Expression und BBSOAS. Wir haben neuartige CRISPR/Cas9-modifizierte induzierte pluripotente Stammzelllinien (hiPSC) mit einer NR2F1 und lncNR2F1 Deletion generiert und sie zu CNCC differenziert. Mit Hilfe modernster Techniken aus Epigenomik, Transkriptomik und Bioinformatik haben wir gezeigt, dass die lncNR2F1-Deletion die gewebespezifische NR2F1-Expression reduziert, was auf CNCC-spezifische Enhancer im lncNR2F1-Locus deutet. Es wurde bereits gezeigt, dass ein dysregulierter NR2F1-Spiegel die Knochenentwicklung beeinträchtigt. Unsere laufenden Studien werden zeigen, ob die Analyse dieser regulatorischen Elemente in die molekulare Diagnose von BBSOAS aufgenommen werden soll. Obwohl sich unsere Studie auf die Entwicklung von CNCC konzentriert, haben wir erste experimentelle Beweise, dass der lncNR2F1-Locus die Expression von NR2F1 in NPC/CN hemmt. Wir beabsichtigen, diesen Zusammenhang weiter zu untersuchen. Da NR2F1 an Tausende Targets (Gene und regulatorische Elemente) bindet, um seine Funktion zu erfüllen, bestimmen wir NR2F1-abhängige regulatorische Netzwerke, die für die CNCC-Differenzierung wichtig sind. In diesem Folgeprojekt planen wir die NR2F1-abhängigen regulatorischen Netzwerke in NPC/CN zu ermitteln. Bisher verwenden wir eine zweidimensionale (2D) Zellkultur, die ein robustes und viel genutztes Modell ist, aber die Architektur und Zellheterogenität der Organe nicht reflektiert. 3DZellaggregate (Organoide) dagegen spiegeln weitgehend die komplexe Gewebeorganisation des sonst nicht verfügbaren lebenden menschlichen Hirngewebes wider. Mittels Vorderhirn-Organoide kombiniert mit Einzelzell-Transkriptomik und Epigenomik aus einer einzigen Zelle wollen wir eine neuartige und kontextbezogene Integration der NR2F1-Expression und Funktion der verschiedenen Zelltypen innerhalb eines komplexen Organoides in Zellkultur ermöglichen. Unsere genomweiten Daten werden das Verständnis der vielschichtigen Rolle der NR2F1-Biologie erheblich vertiefen und können so zur Verbesserung und Entwicklung neuer BBSOAS Therapien beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen