Identification and characterization of mechanisms underlying intellectual disability

Abstract

Intellectual disability (ID) has a high prevalence in individuals with neurodevelopmental disorders. Despite the high number of ID-associated genes, the genetic cause remains unclear in a considerable proportion of pedigrees and similarly the cellular and molecular mechanisms underlying the neurodevelopmental function of these genes remain poorly understood. The main aims of my PhD project was to (i) identify ‘novel’ genes causing ID and characterize their pathophysiologic role in brain development, and (ii) characterize pathomechanism of known ID disorders and expand their clinical and cellular phenotype. First, we approached the model disorder for congenital microcephaly and ID, autosomal recessive primary microcephaly (MCPH). MCPH is a clinically and genetically heterogeneous neurodevelopmental disorder with reduced brain volume at birth, ID, and lack of extracranial malformations. The hypothesis for MCPH-pathomechanism entails a premature shift from symmetric to asymmetric neuronal differentiation, resulting in progenitor pool depletion, thereby microcephaly and ID. Biallelic Cyclin-dependent kinase 5 regulatory- subunit associated protein 2 (CDK5RAP2) mutations cause MCPH3. Our data from Cdk5rap2-depleted murine embryonic stem cells revealed that in addition to premature neural differentiation, accumulating proliferating defect and increased apoptosis of differentiating- and early-postmitotic cells contribute to microcephaly. We reported for the first time the cellular phenotype of abnormal cell cycle apparatus (mitotic spindles, centrosomes), and lagging chromosomes in a MCPH2 patient with compound heterozygous WD-repeat domain 62 (WDR62) mutations. Reduced centrosomal CDK5RAP2 in MCPH2 patient’s cells indicates converging functional role of MCPH genes. Further, we identified a homozygous mutation in the previously not disease-linked gene Rho guanine nucleotide exchange factor 2 (ARHGEF2) in two patients with ID, congenital microcephaly, and mid-hindbrain malformation. We showed that the loss of ARHGEF2 causes abnormal mitotic spindles, spindle pole distance, impaired RhoA/ROCK/MLC pathway, and inhibits neurogenesis. We recapitulated the human brain phenotype in Arhgef2-/- mice and identified abnormal migration of precerebellar nuclei components as the underlying pathomechanism. Further, we reported a biallelic mutation in zinc-finger and BTB-domain containing protein 24 (ZBTB24) in a patient with immunodeficiency-centromeric instability-facial anomalies syndrome 2 (ICF2) characterized by immunodeficiency, developmental delay, and facial anomalies. Initially, ICF2 was acknowledged as an isolated B-cell defect. We extended the phenotype spectrum by describing the development of combined immunodeficiency with age in ICF2 as well as putative autoimmune phenomena (hepatitis, nephritis). We showed that impaired proliferation, increased apoptosis, and abnormal mitotic spindles are likely contribute to immunological and non-immunological phenotype in ICF2. With our studies, we demonstrated that abnormal proliferation, apoptosis, and/or migration due to defective cell cycle apparatus underlies as a common pathomechanism in ID and associated disorders.

Eine Intelligenzminderung (ID) tritt mit einer hohen Prävalenz in Patienten mit einer neurologischen Entwicklungsstörung auf. Trotz der hohen Anzahl an ID-assoziierten Genen, bleibt die genetische Ursache sowie die zugrunde liegenden zellulären und molekularen Mechanismen in vielen Fällen noch unbekannt. Die Hauptziele meiner Promotionsarbeit waren (i) neue Gene zu identifizieren, die zu ID führen und deren pathogene Rolle in der Gehirnentwicklung zu untersuchen und (ii) den Pathomechanismus bekannter Erkrankungen mit ID zu charakterisieren und den klinischen und zellulären Phänotyp zu erweitern. In ersten Studien untersuchten wir die Modellerkrankung für angeborene Mikrozephalie und ID, die autosomal-rezessive primäre Mikrozephalie (MCPH). MCPH ist eine klinisch und genetisch heterogene Entwicklungsstörung des Gehirns, welche durch eine starke Verringerung des Hirnvolumens bei der Geburt, ID, sowie dem Fehlen von extrakraniellen Fehlbildungen gekennzeichnet ist. Die gegenwärtige Hypothese zur Entstehung von MCPH beschreibt eine frühzeitige Verschiebung der symmetrischen zu einer asymmetrischen neuronalen Proliferation, die zu einer Verringerung des Stammzellpools führt. Mutationen im Gen Cyclin-dependent kinase 5 regulatory- subunit associated protein 2 (CDK5RAP2) verursachen MCPH3. Unsere Experimente mit Cdk5rap2-herunterregulierten murinen embryonalen Stammzellen zeigten, dass neben einer vorzeitigen neuronalen Differenzierung, ebenfalls ein Proliferationsdefekt und eine erhöhte Apoptoserate von frühen postmitotischen Zellen zur Mikrozephalie beitragen. Zudem zeigt diese Studie zum ersten Mal Veränderungen im Aufbau des Zellzyklusapparates (Mitosespindel, Zentrosom) und der Chromosomenkondensierung in einem Patienten mit einer compound heterozygoten Mutation im WD-repeat domain 62 Gen (WDR62). In einer weiteren Studie wurde eine homozygote Mutation im bisher nicht krankheitsassoziierten Gen Rho guanine nucleotide exchange factor 2 (ARHGEF2) in zwei Patienten mit ID, kongenitaler Mikrozephalie und einer Fehlbildung des Mittel- und Hinterhirns untersucht. Wir konnten in funktionalen Studien zeigen, dass der Verlust von ARHGEF2 zu Veränderungen in Mitosespindeln und dem Spindelpolabstand sowie einer Beeinträchtigung des RhoA/ROCK/MLC-Signalweges führt, welches zur Hemmung der Neurogenese beiträgt. Der humane Phänotyp konnte in Arhgef2-knockout Mäusen rekapituliert werden und zeigte zudem eine gestörte Migration von präzerebellaren Zellen. Weiterhin berichten wir über eine biallelische Mutation im zinc-finger and BTB-domain containing protein 24 (ZBTB24) in einem Patienten mit immunodeficiency-centromeric instability- facial anomalies syndrome 2 (ICF2), charakterisiert durch Immunschwäche, Entwicklungsverzögerung und Gesichtsanomalien. Bislang wurde ICF2 primär als isolierter B-Zelldefekt anerkannt. Wir erweiterten das Phänotypspektrum, indem wir zum ersten Mal die Entwicklung einer kombinierten Immunschwäche und eines vermutlichen Autoimmunphänomens (Hepatitis, Nephritis) beschrieben. Weiterhin konnten wir nachweisen, dass Veränderungen in der Zellproliferation, Apoptoserate und Veränderung in der Chromosomentrennung zu dem beschriebenen immunologischen und nicht-immunologischen Phänotyp in ICF2 beitragen. Mit unseren Studien konnten wir nachweisen, dass eine abnormale Proliferation, Apoptose und / oder Migration aufgrund eines defekten Zellzyklusapparates als gemeinsamer Pathomechanismus bei ID und assoziierten Störungen zugrunde liegt.