dc.contributor.author
Ravindran, Ethiraj
dc.date.accessioned
2018-06-07T21:01:19Z
dc.date.available
2018-03-06T12:31:33.824Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/7286
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-11485
dc.description.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.
de
dc.description.abstract
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.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
intellectual disability
dc.subject
midbrain-hindbrain
dc.subject
mitotic spindles
dc.subject.ddc
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::610 Medizin und Gesundheit
dc.title
Identification and characterization of mechanisms underlying intellectual
disability
dc.contributor.contact
ethiraj.ravindran@charite.de
dc.contributor.firstReferee
N.N.
dc.contributor.furtherReferee
N.N.
dc.date.accepted
2018-03-02
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000105961-3
dc.title.translated
Identifizierung und Charakterisierung von Mechanismen assoziiert mit
Intelligenzminderung
de
refubium.affiliation
Charité - Universitätsmedizin Berlin
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000105961
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000022810
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access