The Pigv341E mouse model for GPI anchor deficiency displays behavioral alterations and shows reduced synaptic transmission in the hippocampus

Abstract

Biallelic mutations in genes involved in glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor synthesis and maturation lead to the pathway disease GPI biosynthesis deficiency (GPIBD) causing intellectual disability and a psychomotor delay. Besides these common manifestations, human patients have a broad spectrum of features, that ranges from brachytelephalangy, autism, sleep disturbances, to micro/-and macrocephaly. The pathophysiology underlying the disease remains unclear and currently there is no mouse model available reflecting the overall condition of human patients. Consequently, studying the disease in a profound manner, in order to understand physiological, cellular, and molecular pathomechanisms, is very limited. For this purpose, we generated the first mouse model with a hypomorphic and patient-specific mutation (Pigv c.1022C>A; Pigv p.Ala341Glu; Pigv341E) using CRISPR-Cas9, that mirrors the human phenotype in multiple ways. We performed extensive behavioral testing and observed in homozygous mutant (Pigv341E) mice a clear and elaborated motor deficit, enhanced sociability, and cognitive deficits in spatial long-term memory and sleep disturbances. Furthermore, immunohistochemistry revealed reduced synaptophysin immunoreactivity in CA1 of Pigv341E mice and electrophysiological recordings showed decreased hippocampal synaptic transmission, that may impair memory formation. In single-cell RNA sequencing, Pigv341E-hippocampal cells exhibited changes in gene expression, most prominently in a subtype of microglia and subicular neurons. A significant reduction in Abl1 transcript levels in several cell clusters suggested a link to the signaling pathway of GPI-anchored ephrins. We also observed elevated levels of Hdc transcripts, which might affect histamine metabolism with consequences for circadian rhythm. This new mouse model will not only open the doors to further investigation into the pathophysiology of GPIBD, but will also deepen our understanding of the role of signaling pathways in brain development, that depend on GPI-anchored substrates.

Biallelische Mutationen in Genen, die an der Synthese und Reifung von GPI-Ankern beteiligt sind, führen zu der Erkrankung Glycosylphosphatidylinositol-Biosynthese-Defizienz (GPIBD), welche eine mentale Retardierung und psychomotorische Verzögerung verursacht. Neben diesen allgemeinen Phänotypen haben menschliche Patienten ein breites Spektrum an Merkmalen, das von Brachytelephalangie, Autismus, Schlafstörungen bis hin zu Mikro- und Makrozephalie reicht. Der Krankheit zugrunde liegende Pathomechanismus ist nach wie vor unklar und es gibt derzeit kein Mausmodell, welches den Gesamtzustand der Patienten widerspiegelt. Folglich ist es nur sehr eingeschränkt möglich, die Krankheit eingehend zu untersuchen, um physiologische, zelluläre und molekulare Pathomechanismen zu verstehen. Zu diesem Zweck haben wir mittels CRISPR-Cas9 das erste Mausmodell mit einer homozygoten hypomorphen und patientenspezifischen Mutation (Pigv c.1022C>A; Pigv p.Ala341Glu; Pigv341E) generiert, welches die Symptome, die in Patienten beobachtet werden, adäquat widerspiegelt. Wir führten umfangreiche Verhaltenstests im Mausmodell durch und beobachteten bei den homozygoten mutierten Pigv341E-Mäusen ein deutliches und ausgeprägtes motorisches Defizit, erhöhte Soziabilität und kognitive Defizite im räumlichen Langzeitgedächtnis sowie Schlafstörungen. Darüber hinaus zeigten immunhistochemische Analysen eine reduzierte Synaptophysin- Immunreaktivität in CA1 der mutierten Pigv341E-Mäuse. Elektrophysiologische Experimente zeigten zudem eine verringerte synaptische Reizweiterleitung im Hippocampus, die einer beeinträchtigten Gedächtnisbildung zugrunde liegen könnte. Bei der Einzelzell-RNASequenzierung beobachteten wir, dass Pigv341E-Hippocampuszellen Veränderungen in der Genexpression aufweisen, und zwar am deutlichsten in einem Subtyp von Mikroglia-Zellen und subikulären Neuronen. Eine signifikante Reduktion der Abl1-Transkripte in mehreren Zellclustern deutete auf einen Zusammenhang mit dem Signalweg der GPI-verankerten Ephrine hin. Wir beobachteten auch eine erhöhte Transkription von Hdc, die den Histamin-Stoffwechsel mit Konsequenzen für den zirkadianen Rhythmus beeinflussen könnte. Dieses neue Mausmodell wird nicht nur die Türen für weitere Untersuchungen zur Pathophysiologie von GPIBDs öffnen, sondern auch unser Verständnis für GPI-Anker-assoziierte Signalwege in der Gehirnentwicklung vertiefen.