Background: Neurodevelopmental disorders, such as autism spectrum disorder (ASD) and schizophrenia, are often characterized by disruptions in neocortical structure and mitochondrial function. Genetic studies have implicated ARHGAP46 in multiple neuropsychiatric disorders. However, the function of ARHGAP46 in the mammalian brain is not understood. In this study, we investigate the role of ARHGAP46 in the development of the mammalian neocortex. Methods: I analysed ARHGAP46 expression in the developing murine neocortex using in situ hybridization, Western blotting, and reporter mice. Conditional deletion of ARHGAP46 in the murine neocortex (cKO) was then used to assess the impact of loss of ARHGAP46 on animal behaviour. I then evaluated the cerebral structure of cKO and control mice. Furthermore, I analysed how loss of ARHGAP46 impacts dendritic and synaptic development both in vivo and in cultured neurons. To understand the cellular roles of ARHGAP46, I used immunofluorescence to examine the subcellular localization of ARHGAP46. Finally, I studied how loss of ARHGAP46 affects mitochondrial structure and function as well as the interaction of mitochondria with the endoplasmic reticulum using several reporters. Results: I show that ARHGAP46 is strongly expressed in the developing neocortex from late embryonic until early postnatal stages. cKO mice display heightened anxiety-like behaviours and impaired learning. Furthermore, loss of ARHGAP46 in the neocortex reduced cortical thickness, impaired dendritic arborization and decreased synaptic density. At a cellular level, loss of ARHGAP46 results in mitochondrial dysfunction characterized by fragmented mitochondria, diminished ATP production, impaired mitochondrial membrane potential, increased oxidative stress, and enhanced mitophagy. I show that ARHGAP46 is localized to the ER, specifically to mitochondria-associated membranes (MAMs), the sites of interaction between the ER and mitochondria. Furthermore, I identify new binding partners of ARGHAP46 and show that it interacts with proteins involved in the ER: mitochondrial interaction, such as Miro1. cKO neurons show fewer but larger mitochondrial: ER contact sites (MERC). Notably, the reintroduction of ARHGAP46 or the expression of Miro1 in conditional knockout (cKO) neurons restores mitochondrial morphology, MERCs, and mitochondrial function, indicating that ARHGAP46 regulates mitochondrial and MERC stability, at least partially, through Miro1. Conclusion: ARHGAP46 is essential for dendritic development. At a cellular level, ARHGAP46 promotes mitochondrial function, most likely by regulating ER–mitochondria contact sites. These changes in dendritic development have important consequences for brain function and result in altered animal behaviour. This work identifies ARHGAP46 as a critical regulator of neurodevelopment and highlights its role in ER: mitochondrial contacts for correct neocortical development and function.
Hintergrund: Neuroentwicklungsstörungen wie Autismus-Spektrum-Störung (ASS) und Schizophrenie sind häufig durch Störungen der Struktur des Neokortex und der mitochondrialen Funktion gekennzeichnet. Genetische Studien haben ARHGAP46 mit mehreren neuropsychiatrischen Erkrankungen in Verbindung gebracht. Die Funktion von ARHGAP46 im Säugetiergehirn ist jedoch noch unklar. In dieser Studie untersuchen wir die Rolle von ARHGAP46 bei der Entwicklung des Neokortex. Methoden: Ich analysierte die Expression von ARHGAP46 im sich entwickelnden Neokortex der Maus mithilfe von in situ Hybridisierung, Western Blotting und Reportermäusen. Ein konditioneller Knockout (cKO) von ARHGAP46 im Neokortex wurde verwendet, um die Auswirkungen seines Verlusts auf das Verhalten zu untersuchen. Anschließend bewertete ich die kortikale Struktur von cKO- und Kontrollmäusen. Darüber hinaus analysierte ich, wie sich der Verlust von ARHGAP46 auf die dendritische und synaptische Entwicklung sowohl in vivo als auch in kultivierten Neuronen auswirkt. Die subzelluläre Lokalisation von ARHGAP46 wurde durch Immunfluoreszenz bestimmt. Schließlich untersuchte ich die Auswirkungen des ARHGAP46-Verlusts auf mitochondriale Struktur und Funktion sowie die Interaktion zwischen Mitochondrien und endoplasmatischem Retikulum (ER) mithilfe verschiedener Reporter. Ergebnisse: Ich konnte zeigen, dass ARHGAP46 vom späten Embryonalstadium bis in die frühe postnatale Phase stark im Neokortex exprimiert wird. cKO-Mäuse zeigen verstärktes angstähnliches Verhalten und beeinträchtigtes Lernen. Der Verlust von ARHGAP46 führt zu verringerter kortikaler Dicke, gestörter dendritischer Verzweigung und reduzierter Synapsendichte. Auf zellulärer Ebene resultiert der Verlust in mitochondrialer Dysfunktion mit fragmentierten Mitochondrien, verminderter ATP- Produktion, gestörtem Membranpotenzial, erhöhtem oxidativen Stress und gesteigerter Mitophagie. ARHGAP46 lokalisiert im ER, insbesondere in Mitochondrien-assoziierten Membranen (MAMs), den Kontaktstellen zwischen ER und Mitochondrien. Zudem identifizierte ich neue Interaktionspartner von ARHGAP46, darunter Miro1, das an ER– Mitochondrien-Interaktionen beteiligt ist. Neuronen von cKO-Tieren zeigen weniger, aber größere mitochondriale ER-Kontaktstellen (MERCs). Bemerkenswerterweise konnten durch Reexpression von ARHGAP46 oder durch Miro1-Expression mitochondriale Morphologie, MERCs und Funktion wiederhergestellt werden, was auf eine regulatorische Rolle von ARHGAP46 über Miro1 hinweist. Fazit: ARHGAP46 ist entscheidend für die dendritische Entwicklung. Auf zellulärer Ebene fördert es die mitochondriale Funktion, vermutlich durch Regulation der ER– Mitochondrien-Kontakte. Diese Veränderungen haben wichtige Auswirkungen auf die Gehirnfunktion und das Verhalten. Unsere Ergebnisse identifizieren ARHGAP46 als Schlüsselfaktor in der neuronalen Entwicklung und betonen seine Rolle bei der Etablierung funktioneller ER–Mitochondrien-Verbindungen im Neokortex.
