Brg1 in neural development and disease

Abstract

Brahma homolog 1 (Brg1) is part of the switch/sucrose non-fermentable (SWI/SNF) chromatin remodeling complex that controls global gene expression by altering the positions of histones along the DNA. It has been proposed that Brg1 is essential in the development of diverse organs, including the brain. Furthermore, several tumors harbor missense or truncating mutations in the BRG1 gene. Here, we were interested in both, the function of Brg1 in neural development and in brain tumorigenesis. Therefore, we established three independent mouse models. In hGFAP-cre::Brg1fl/fl mice, Brg1 was lost at embryonic day 13.5 (E13.5) in multipotent neural stem cells (NSCs). The Brg1 deficiency resulted in early postnatal death accompanied by severely reduced body and brain weights. Histological examination revealed several alterations in all major brain structures, including the cerebellum, the cerebral cortex, the subventricular zone (SVZ) and the hippocampus. In a second mouse model, we investigated whether a postnatal loss of Brg1 in Math1 expressing cerebellar granular neuron precursors (CGNPs) altered cerebellar development. Brg1 deficiency resulted in a short-term increase in proliferation in the external granular layer. However, this did not alter physiological brain development, as adult mice did not show any cerebellar abnormalities or tumor formation. In the third part of the project, we induced loss of Brg1 in Sox2 positive NSCs between E6.5 and E14.5. By investigating the effect on the embryonic brain at E18.5, we observed that Brg1 deficiency between E7.5 and E12.5 resulted in disruptions in the SVZ, the developing neocortex and a transdifferentiation of retinal pigment epithelium to retina. The latter was only observed when Brg1 was lost at E7.5 or E8.5. These histological alterations were accompanied by distinct changes in gene expression revealed by RNA sequencing analysis. Extracellular matrix associated genes were upregulated especially upon Brg1 loss at E9.5, whereas a deficiency from E7.5 onwards resulted in the upregulation of genes involved in eye development. In contrast, genes linked to neuronal functions where downregulated upon Brg1 loss at either E7.5 or E9.5. Last, we investigated whether an early loss of Brg1 at E6.5 or E7.5 resulted in tumorigenesis after birth. However, we did not observe any tumor formation in the first 15 weeks of life. Taken together, these results suggest that Brg1 is essential in embryonic NSCs for normal brain and eye development, whereas postnatal CGNPs are not dependent on Brg1 for normal development. Furthermore, a Brg1 loss at E6.5 or E7.5 in NSCs is not sufficient to drive tumor formation in young mice.

Brahma homolog 1 (Brg1) ist eine Untereinheit des switch/sucrose non-fermentable (SWI/SNF) chromatin remodeling complex, der die globale Genexpression regulieren kann, indem er die Position der Histone entlang der DNS verändert. Verschiedene Studien konnten zeigen, dass Brg1 an der Entstehung vieler Organe beteiligt ist. So sind zahlreiche Prozesse in der frühen Embryonal- und auch der Hirnentwicklung von einer korrekten Brg1 Expression abhängig. Zusätzlich haben andere Untersuchungen gezeigt, dass BRG1 in vielen Tumoren mutiert vorliegt. In dieser Doktorarbeit wurde anhand drei verschiedener Mausmodelle die Rolle von Brg1 in der neuralen Entwicklung und in der Entstehung von pädiatrischen Hirntumoren untersucht. Zunächst konnte gezeigt werden, dass der homozygote Verlust von Brg1 in hGFAP exprimierenden multipotenten neuralen Vorläuferzellen zum Tod der Tiere in den ersten zwei Lebenswochen führt. Die Mäuse zeigten ein verringertes Körper- und Hirngewicht, einen Wasserkopf und verschiedene Veränderungen in allen wichtigen Hirnregionen, einschließlich des Kleinhirns, des zerebralen Kortex, der Subventrikulärzone (SVZ) und des Hippocampus. In einem zweiten Mausmodell untersuchten wir, ob ein postnataler Brg1 Verlust in zerebellaren Vorläuferzellen die Entwicklung des Kleinhirns verändert oder sogar zur Tumorentstehung führen kann. Obwohl ein paar Tage nach dem Brg1 Verlust die Proliferation erhöht war, entwickelte sich das Kleinhirn normal und wir konnten keine Tumorentstehung beobachten. Zu guter Letzt untersuchten wir, ob sich ein Brg1 Verlust in Sox2 positiven Stammzellen zwischen Embryonaltag 6.5 (E6.5) und E14.5 verändernd auf die Hirnentwicklung auswirkt oder sogar zur Tumorentstehung führt. Zunächst evaluierten wir embryonale Hirne an E18.5 und entdeckten histologische Veränderungen in der SVZ, dem zerebralen Kortex und, dass das retinale Pigmentepithel teilweise zur Retina transdifferenziert war. Transkriptomanalysen wiesen darauf hin, dass durch den Brg1 Verlust an E7.5 vor allem Gene, die mit der Entwicklung des Auges assoziiert sind, hochreguliert waren. Gene, die in der extrazellulären Matrix exprimiert werden, waren nach Brg1 Verlust an E7.5 und vor allem nach Brg1 Defizienz an E9.5 verstärkt exprimiert. Die fehlende Brg1 Expression an beiden Zeitpunkten führte zur verringerten Transkription von Genen, die in der Funktion von Neuronen eine Rolle spielen. Ein Brg1 Verlust an E6.5 oder E7.5 führte zu keiner Tumorentstehung in den ersten 15 Wochen nach der Geburt. Zusammenfassend spielt Brg1 sowohl in hGFAP als auch in Sox2 positiven Stammzellen essenzielle Rollen bezüglich der Hirnentwicklung, wohingegen das Protein nach der Geburt in zerebellären Vorläuferzellen weniger ausschlaggebende Funktionen zu erfüllen scheint.