college 10 en 11

 Autisme als ontwikkelingsstoornis

Autisme (ASD) wordt gezien als een neurodevelopmental disorder waarbij de ontwikkeling van neuronale netwerken in de hersenen anders verloopt.

Perceptie van binnenkomende signalen is ‘anders’

• Geassocieerde genen belangrijk in corticale ontwikkeling

Centrale hypothese

Veel autisme-gerelateerde genen zijn betrokken bij corticale ontwikkeling.

→ Daardoor kan de vorming van neuronale netwerken in de cortex verstoord raken.

 

Onderzoek naar autisme

Er zijn twee hoofdbenaderingen.

Ziekte/patiëntgericht onderzoek

Zoekt genetische associaties.

Methoden:

• GWAS (Genome Wide Association Studies)

• Linkage studies

• Twin studies

• Post-mortem hersenonderzoek

• Co-morbidity studies

Doel:

→ genetische risicofactoren identificeren.

Fundamenteel onderzoek

muis vs mens

Bestuderen van mechanismen in modellen:

Muismodellen

• in vivo studies

• in vitro neuronale culturen

Humane modellen

• iPSCs (induced pluripotent stem cells)

• brain organoids

Deze modellen helpen begrijpen hoe genmutaties de hersenontwikkeling beïnvloeden.

 

muis lastig qua genen aanpassen voor autisme, muis heeft geen sulci etc. je kan gen uitscchakelen en dan kijken ‘gen wat gerelateerd is aan autisme doet eht hetzelfde in de muis/soortgelijk gedrag, afvragen ; waar kijk ik eigenlijk naar?’

• basale mechanisme hetzelfde

humane organoids relevant?

• levende patient

• fibroblasten

• kweken ; terugdifferentieren naar embryonale stamcellen == IPSC

neuronen vorming celdelingen

• neuro-ephiteelial cell wordt radial glia cell » direccte transformatie

• uit die radial glia worden neuronen geboren, haken aan dendriet en klimmen naarboven in de cortex

• later oligodendrocieten

• directe formatie, asymmetrische deling, symmetrische deling

• symmetrische deling stamcel in neuronen (dan is die moeder cel weg) gebeurt pas later in ontwikkeling, anders ben je stamcellen kwijt

hoe komen w3e aan die lagen?

muis

ventricular, subventriculair » intermediate zone » corticale plaat (daar verzamelen die neuronen)

hoe kom je aan die lagen?

inside out manner » oudste liggen onderin, nieuwste bovenin

muis vs humaan

vz bijna zelfde

isvz anders veel groter

osvz bij ons en primaten

radial glia stukje omhoog dan houdt het op

orgs hoppen naar andere cellen, wave opzij?

lagen neuronen corticale plaat

cortico collosal eerste laag » corpus collosum gevolgd

verschillende lagen verschillende typen neuronen

Cortical migration is tangential and radial

• pyramidal neurons

• interneurons

• Pyramidal neurons: uit corticale centriculaire zone via radial migratie

• migration Interneurons: ontstaat uit Lateral Germinal Eminence (LGE) via tangential migration inhibitie kan invloed hebben op autisme, hypothese interneuronen te laat komen daardoor te actief brein » autism

Reelin is een gen betrokken bij autisme Corticale migratie is aangedaan in Reelin knockout muizen

• eerste neuronen aan de buitenkant cajal rezius scheiden een eiwit uit ; reelin

• gradient ; hoog bovenin cortex, ==

• signaal om naar boven te komen

• als dit fout gaat outside in brein ipv inside out brein!! redelijk vatbaar KO muizen

• zie je ook bij mensen, wordt in verband gebracht met autisme schizofrenia, mood disorders

Vanneurogenese tot neuronale netwerken

• Neurogenese: geboorte van neuronen en intermediate progenitors uit radial glia,

• Neuronale amplificatie: vermeerdering van intermediate progenitors

• Neuronale migratie: jonge neuronen migreren naar de plaats van bestemming

• Neuronale differentiatie: tijdens en na migratie wordt de uiteindelijke identiteit bereikt

• Netwerkformatie: Synaptogenese en pruning

Synaptogenese and pruning: de formatie van neuronale netwerken

Synaptogenese:

• ontstaan van synapsen in hersen - en zenuwweefsel

• Onder invloed van groeifactoren en externe condities

• Piek tijdens vroege hersen ontwikkeling, gecontinueerd in de adult

• Mens: tijdens de geboorte ~2500 synapsen per hersencel

• Na drie jaar ~ 15.000 synapsen per hersencel

Pruning:

• Eliminatie van synaptische verbindingen in hersen- en zenuwweefsel

• Meestal het gevolg van het niet ontstaan van de juiste verbindingen

• Mens (adult): ~ 7000 synapsen per hersencel

 TAOK2 en autisme

• gen en link autisme

• expressie en locatie

• link met autisme

1. Gen en link met autisme

• TAOK2 = een kinase-gen dat sterk geassocieerd is met autisme (ASD).

• Linkage studies tonen dat dit een risicogen is voor ASD.

2. Expressie en locatie

• TAOK2 komt tot expressie in growth cones van corticale neuronen in de bovenste lagen van de cortex.

• Speelt een rol in dendrietvorming, vooral in basale dendrieten van pyramidale neuronen.

3. Link met autisme

• Dysfunctie van TAOK2 → verminderde basale dendrieten → minder netwerkconnectiviteit in cortex

• Hypoconnectiviteit in de cortex wordt in meerdere studies gelinkt aan ASD

sema3A gradient

Extracellulair signaal: Sema3A (Semaphorin 3A)

• Correcte migratie en axonale guidance

• Gradient

• Chemo-attractant voor apicale dendrieten

• Chemo-repulsant voor basale dendrieten en axonen

Experimenteel bewijs in vitro en in vivo

In vitro (muizen neuronen in cultuur)

• Methoden: shRNA (verlagen), expressie humaan TAOK2 (verhogen)

• Resultaat: TAOK2 essentieel voor dendrietvorming

• Limiet: Geen echte cortexstructuur → apicale/basale dendrieten moeilijk te onderscheiden

In vivo (muizen, in utero electroporatie)

→ DNA wordt in embryonale hersenen van muizen ingebracht.

• TAOK2 expressie verhogen of verlagen

• Resultaat: beïnvloedt dendrietvorming, vooral basale dendrieten

Signaalroute van TAOK2

• Receptoractivatie: Sema3A bindt aan NRP1 (Neuropilin-1) en PLXA4 (Plexin A4)

• TAOK2 activatie: TAOK2 bindt aan geactiveerd NRP1 → gefosforyleerd → actief

• Effect: TAOK2 activeert JNK1-pathway → vorming en oriëntatie van dendrieten, vooral basale dendrieten

zie je wel autisme in muis? +- muis mens

van neurogenese tot neuronale netwerken

neurogenese is best hetzelfde!!

neuronale amplificatie volledig anders!!

migratie hetzelfde naar boven in opbouw

differentiatie beetje van beide

formatie is gewoon anders

enkel neurogenese lijkt erop

wat maakt het humane brein speciaal?

• humane brein heeft meeste neuronen in de cortex

• connectiviteit is van belang

• sulci en giri » grijze stof groeit sneller dan witte stof die er onder zit, daardoor uitstulpende cellen » kolken veroorzaken (hyp)

Mouse vs human cortical development

• Radial glia = neurale stamcellen → produceren neuronen → migratie langs radiale uitlopers (radiale migratie)

• Intermediate progenitors → neuronen → migreren naar boven in golven → vormen lagen (binnen → buiten)

• Mens vs muis:

  • Muis: 4 lagen, radial glia aan buitenkant cortex

  • Mens: 6 lagen, OSVZ = grote neurogene zone met outer radial glia (ORG)

    • ORG amplificeert neuronen, migreert radiaal en tangentiëel

    • Vormt geconcentreerde migratiegolven → mogelijk sulci & gyri

    • ze springen steeds een stukje en daarna delen ze!!

• Migratiepatronen mens: radiaal + tangentieel → complexere cortex, hoge neuronendichtheid

corticale development

neurale stam cellen muis vs humaan ; osvz en org (brg)

lichtblauw = org’s

org’s ze springen steeds een stukje en daarna delen ze!!

Discontinuous glial scaffold in humans tangential migration of neurons

The development of the OSVZ results in remodeling of the migration scaffold, with fibers no longer spanning the apical and basal surfaces, forcing migrating neurons to switch fibers and disperse tangentially

(hij zegt hier letterlijk alleen dit is die migratie waar ik het net over had)

Molecular identity of oRGs

• semi-autonome stamcellen in OSVZ → maken eigen groeifactoren, communiceren veel

• Veel receptoren, onafhankelijk van NOTch

• Belangrijke pathways: LIF/STAT → self-renewal, mTOR → groei/proliferatie, Shaping of direct environment (EMPs)

• Functies: zelfvernieuwing ↑, omgeving vormgeven, neuronproductie ↑

Modellen voor autisme onderzoek Humane organoids

Organoids zijn:

3D mini-hersenen gekweekt uit menselijke stamcellen.

Voordelen:

• menselijke genetica

• menselijke ontwikkeling

Nadelen:

• minder georganiseerd

• geen bloedvoorziening

• beperkte maturatie

 

Autisme modellen: humane organoids van ES cel naar tissue in kweek

Autisme modellen: humane cerebral organoids

zitten in medium, niet onder

binnenkant van bolletjes gaan dood, in stukjes hakken doorgroeien

duurt lang voordat die dingen groeien

Human cerebral organoids: rosettes

rosettes = kleine breintjes in de organoids

lijken op neural tube, binnenkant ventrikel , daaromheen radio glia, daarom intermediar daaromheen pas neuronen

humane cerebral

valide modelsysteem ?

zelfde neuronen komen voor met zelfde migratie (veel)

Waarom corticale ontwikkeling belangrijk is bij autisme

Dit kan leiden tot:

Veel autismegenen beïnvloeden:

• neuronale migratie

• dendrietvorming

• synapsvorming

Gevolg:

→ afwijkende neurale circuits

Dit kan leiden tot:

• veranderde informatieverwerking

• gedragskenmerken van autisme.

Autisme onderzoek in cerebral organoids

Autism genes converge on asynchronous development of shared neuron classes

• genen

• methode

• 3 aan ASD-gelinkte genen: SUV420H1, ARID1B, CHD8

- niet duidelijk hoe deze genen ASD veroorzaken

- zijn werkzaam in verschillende signaleringspathways

• iPSCs van verschillende gezonde donors

- mutatie aangebracht in 1 allel vd 3 genen (Cripr/Cas)

- dus 3 aparte mutantlijnen per donor (steeds 1 gen gemuteerd)

• iPSCs gekweekt gedurende een aantal maanden tot “volwassen” organoids

• Organoids getest mbv verschillende technieken:

- RNAseq (single cell): messengers van 1 enkele cel, je kan clusteren » genexpressie van specifieke celtypen

- proteasoom: verandering in eiwit compositie

- electrofysiologie (Calcium imaging

je ziet op de afbeelding verschillende celtypen ontstaan over verschillende tijden heen, maar veel variatie in organische kweek

Autisme onderzoek in cerebral organoids

Autism genes converge on asynchronous development of shared neuron classes

• genen en resultaten

• Mutaties vertonen hetzelfde phenotype

- GABA interneuronen worden eerder geboren

- Deep-layer pyramidale neuronen worden later geboren

---

• De mate waarin het phenotype zich voordoet in deze genen is volledig afhankelijk van

- het gemuteerde gen

- de genetische achtergrond (de donor)

---

• De asynchrone ontwikkeling van de twee celtypen resulteert in een abnormale elecrophysiologie, waarschijnlijk ten gevolg van een aangedaan netwerk

plaatje