Intrinsic and extrinsic factors affecting cortical development

Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation beschreibe ich Beeinträchtigungen der neuronalen Migration, ausgelöst durch intrinsische genetische oder extrinsische immunologische Faktoren. Als intrinsische genetische Faktoren habe ich den Einfluss von Varianten des Autismus-Risiko Genes TAOK2 (Tausend und eine Aminosäure Kinase) aus Patienten und einer heterozygoten Ausprägung der 16p11.2 Gen Region im Mäusegehirn untersucht. Ich habe herausgefunden, dass Mutationen aus Autismus-Patienten in TAOK2α, aber nicht in TAOK2β zu einer verminderten neuronalen Migration im Neokortex der Maus führen. Weiterhin habe ich herausgefunden, dass die beeinträchtigte neuronale Migration im heterozygoten 16p11.2 Maus Modell durch den Wildtyp TAOK2α, aber nicht durch die in einem Autismus-Patienten vorkommende Variante TAOK2αA135P behoben werden kann. Als immunologische Faktoren habe ich den Einfluss einer direkten Immunaktivierung von Mäusegehirnen in situ durch die Behandlung mit Lipopolysaccharid (LPS) und Polyinosinic-Polycytidilischer Säure (Poly(I:C)) und der indirekten Immunaktivierung der Mutter während der Schwangerschaft durch die Injektion von Poly(I:C) oder die Infektion mit Grippe (H1N1) untersucht. Durch Analysen an kortikalen Schnittkulturen (transfiziert an E15, Schnittkulturen an E17) habe ich herausgefunden, dass eine Behandlung in situ mit Poly(I:C), aber nicht mit LPS, zu einer Verminderung der neuronalen radialen Migration führt, gemessen an der Position der Neuronen nach Abschluss des Experimentes (E19). Die Analyse der Migration aller Neuronen in Video-Analysen hat ergeben, dass nach einer Behandlung mit LPS die mediane Migration aller Neuronen reduziert ist, während nach einer Poly(I:C)-Behandlung nur die Migration der bipolaren Neuronen reduziert ist. Weiterhin habe ich eine Verringerung des Anteils bipolarer Neuronen ausschließlich nach der Behandlung mit LPS beobachtet. Die Geschwindigkeit der Migration einzelner bipolarer Neuronen wurde weder durch die Behandlung mit LPS noch mit Poly(I:C) beeinflusst. Ich habe die Aktivierung von Mikroglia, einer Klasse von Immunzellen im Gehirn, anhand ihrer Morphologie in fixierten Schnittkulturen und anhand ihrer Migrationsgeschwindigkeit in Video-Analysen untersucht. Der Anteil an verzweigten (ramified) Mikroglia war nach einer Behandlung mit LPS signifikant reduziert. Die Geschwindigkeit der Migration von Mikroglia war nach einer Behandlung mit LPS signifikant erhöht. Abschließend habe ich zeigen können, dass in der Maus eine Immunaktivierung des Muttertieres durch eine Grippeinfektion (H1N1) oder eine Poly(I:C)-Injektion zu einem frühen Zeitpunkt der Schwangerschaft in den Nachkommen zum Zeitpunkt E17 zu einer Verschiebung der Position von Ctip2- und Satb2- positiven Neuronen in Richtung Ventrikel führt. Meine Ergebnisse zeigen, dass die neuronale Migration durch klinisch relevante Mutationen in Autismus-Risikogenen und durch den Autismus-Risikofaktor Immunaktivierung in der Schwangerschaft beeinträchtig werden kann. Diese Ergebnisse betonen, dass die neuronale Migration als Teil der neuronalen Entwicklung möglicherweise auch zur Entwicklung einer Autismus-Spektrum-Störung mit beitragen kann.

In this thesis I describe impairments in neuronal migration induced by intrinsic genetic and extrinsic immune system related factors. As an intrinsic genetic factor, I studied the impact of human variants of autism spectrum disorders (ASD-) risk genes Thousand-and-One-Amino-Acid-Kinase-2 (TAOK2) and 16p11.2 in the murine brain. I found that human variants of TAOK2α but not TAOK2β lead to a reduction in neuronal migration and that in a model of 16p11.2 heterozygous deletion TAOK2α but not the human variant TAOKαA135P was able to rescue migration impairments. Regarding immune system related extrinsic factors, I discovered that a treatment with polyinosinic-polycytidilic acid (Poly(I:C)), but not lipopolysaccharide (LPS) treatment impairs the resting point of neuronal migration in a model of acute slice culture of E15-E17 in utero electroporated murine brains. Analyses of the migration in live imaging revealed a reduced median distance of migration for LPS treated neurons in general and for Poly(I:C) treated bipolar neurons. I was further able to show a reduction in the bipolar fraction of neurons after LPS treatment, which was not accompanied by a change of single bipolar neuron velocity in either LPS or Poly(I:C) treatment. I assessed the activation of microglia under the influence of different treatments by their morphology in fixed slices and the velocity of their migration in live imaging. Immune activation via LPS leads to a reduced fraction of ramified microglia and to an increase in the velocity compared to microglia in untreated control slices. Finally, I was able to show the impact of a maternal immune activation by maternal H1N1 infection and Poly(I:C) injection on neuronal migration with a positioning of cortical layer neurons positive for Ctip2 and Satb2 more distal to the marginal zone compared to neurons of PBS injected mother’s offspring. This highlights that neuronal migration is a component of neuronal development which can be affected by patient-derived mutations in risk genes or maternal immune activation as an autism risk factor and might thereby further contribute to the development of autism spectrum disorders.