Impact of Cadherin-13 deficiency on the brain serotonin system using mouse models and human iPSC-derived neurons

Einfluss einer Cadherin-13 Defizienz auf das Serotonin-System des Gehirns unter Verwendung von Mausmodellen und humanen iPSC-abgeleiteten Neuronen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-216592
  • Serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) is a neurotransmitter involved in early developmental processes such as cell proliferation, migration, and differentiation. Recent research in humans showed that the brain 5-HT system and CDH13 are interlinked in the genetics of neurodevelopmental disorders including attention- deficit/hyperactivity disorder and autism spectrum disorder (Lesch et al., 2008; Neale et al., 2008; Neale, Medland, Ripke, Anney, et al., 2010; Neale, Medland, Ripke, Asherson, et al., 2010; Sanders et al., 2011;Serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) is a neurotransmitter involved in early developmental processes such as cell proliferation, migration, and differentiation. Recent research in humans showed that the brain 5-HT system and CDH13 are interlinked in the genetics of neurodevelopmental disorders including attention- deficit/hyperactivity disorder and autism spectrum disorder (Lesch et al., 2008; Neale et al., 2008; Neale, Medland, Ripke, Anney, et al., 2010; Neale, Medland, Ripke, Asherson, et al., 2010; Sanders et al., 2011; Sanders et al., 2015; Zhou et al., 2008). This study introduces Cadherin-13 (CDH13), a cell adhesion protein, as a contributor to the development and function of the 5-HT system. Our experiments show that the absence of CDH13 increases the density of 5-HT neurons in the developing dorsal raphe (DR) and increases the 5-HT innervation of the prefrontal cortex in mouse embryonic stages. CDH13 is also observed in radial glial cells, an important progenitor cell type linked to neuronal migration. A three-dimensional reconstruction carried out with super-resolution microscopy, identifies 5-HT neurons intertwined with radial glial cells, and CDH13 clusters at contact points between these cells. This indicates a potential contribution of CDH13 to the migration of DR 5-HT neurons. As CDH13 is strongly expressed in 5-HT neurons, we asked whether the selective deletion of CDH13 from these cells is sufficient to generate the alterations observed in the Cdh13 constitutive knockout mouse line. In 5-HT conditional Cdh13 knockout mice (Cdh13 cKO) an increase in DR 5-HT neurons in the embryonic and adult brains is observed, as well as 5-HT hyperinnervation of cortical regions. Therefore, illustrating that the lack of CDH13 from 5-HT neurons alone impacts DR formation and serotonergic innervation. Behavioral testing conducted on Cdh13 cKO mice showed delayed learning in visuospatial learning and memory processing, as well as, changes in sociability parameters. To find out how CDH13 localizes in human 5-HT neurons, CDH13 was visualized in neurons that derived from human induced pluripotent stem cells (iPSC). Super-resolution microscopy confirmed CDH13 expression in a subgroup of induced human neurons positive for typical hallmarks of 5-HT neurons, such as expression of Tph2, the neuron-specific tryptophan hydroxylase, and synaptic structures. In summary, the work included in this thesis presents a detailed analysis of CDH13 expression and localization in the 5-HT system and shows that deletion of CDH13 from 5-HT neurons affects specific higher-order functions of the brain.show moreshow less
  • Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) ist ein Neurotransmitter, der in frühe Entwicklungsprozesse involviert ist, wie beispielsweise Zellproliferation, Migration und Differenzierung. Aktuelle Forschungsergebnisse im Menschen zeigten eine Verbindung zwischen dem 5-HT System des Gehirns und CDH13 in der Genetik neurologischer Entwicklungsstörungen, wie die Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung und die Autismus-Spektrum-Störung (Lesch et al., 2008; Neale, Medland, Ripke, Anney, et al., 2010; Neale, Medland, Ripke, Asherson, et al., 2010;Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) ist ein Neurotransmitter, der in frühe Entwicklungsprozesse involviert ist, wie beispielsweise Zellproliferation, Migration und Differenzierung. Aktuelle Forschungsergebnisse im Menschen zeigten eine Verbindung zwischen dem 5-HT System des Gehirns und CDH13 in der Genetik neurologischer Entwicklungsstörungen, wie die Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung und die Autismus-Spektrum-Störung (Lesch et al., 2008; Neale, Medland, Ripke, Anney, et al., 2010; Neale, Medland, Ripke, Asherson, et al., 2010; Sanders et al., 2011; Sanders et al., 2015; Zhou et al., 2008). Diese Studie präsentiert Cadherin-13 (CDH13), ein Zelladhäsionsprotein, als einen Gegenspieler in der Entwicklung und Funktion des 5-HT Systems. Unsere Experimente zeigen, dass die Abwesenheit von CDH13 die Dichte der 5-HT Neuronen in dem sich entwickelnden dorsalen Raphe (DR) sowie die 5-HT Innervation des Präfrontalen Kortex in den embryonalen Stadien der Maus steigert. CDH13 wird auch in Radialen Gliazellen beobachtet, ein wichtiger Vorläuferzelltyp, der mit neuronaler Migration in Verbindung gebracht wurde. Eine 3-dimensionale Rekonstruktion, durchgeführt mit Superresolutions-Mikroskopie, identifiziert 5-HT Neuronen verflochten mit Radialen Gliazellen und CDH13 in den Kontaktpunkten zwischen diesen Zellen. Dies verdeutlicht eine potenzielle Rolle von CDH13 bei der Migration der DR 5-HT Neuronen. Da CDH13 eine starke Expression in den 5-HT Neuronen aufweist, fragten wir uns, ob die selektive Deletion von CDH13 in den Zellen ausreichend sei, um die in der konstitutiven Cdh13 Knockout-Mauslinie beobachteten Veränderung zu erzeugen. In 5-HT konditionalen Cdh13 Knockout-Mäusen (Cdh13 cKO) wurde eine Erhöhung der Anzahl der DR 5-HT Neuronen im embryonalen und adulten Gehirn sowie eine 5-HT Überinnervation der kortikalen Regionen beobachtet. Dies veranschaulicht, dass bereits ein Mangel an CDH13 in 5-HT Neuronen die DR-Ausbildung und serotonerge Innervation beeinflusst. Verhaltensversuche, die an Cdh13 cKO-Mäusen durchgeführt wurden, zeigten verspätetes Lernen im visuell-räumlichen Spektrum und der Gedächtnisverarbeitung sowie Veränderungen der Soziabilitätsparameter. Um herauszufinden, wie CDH13 in humanen 5-HT Neuronen lokalisiert ist, wurde CDH13 in aus humanen pluripotenten Stammzellen (iPSC) erzeugten Neuronen visualisiert. Superresolutions-Mikroskopie bestätigte eine CDH13 Expression in einer Untergruppe induzierter humaner Neuronen, die typische Merkmale von 5-HT Neuronen, wie etwa die Expression der Neuronen-spezifischen Tryptophan-Hydroxylase Tph2 und synaptische Strukturen, aufweisen. Zusammengefasst präsentiert diese Doktorarbeit eine detaillierte Analyse der CDH13 Expression und Lokalisation im 5-HT System und zeigt, dass eine Deletion von CDH13 in 5-HT Neuronen spezifische höhergradige Funktionen des Gehirns beeinflusst.show moreshow less

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Metadaten
Author: Andrea Forero Echeverry
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-216592
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Graduate Schools
Faculties:Graduate Schools / Graduate School of Life Sciences
Referee:Prof. Dr. Klaus-Peter Lesch, Prof. Dr. Markus Sauer, PD Dr. Robert Blum
Date of final exam:2020/10/14
Language:English
Year of Completion:2020
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-21659
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
Tag:cadherin-13; neurodevelopment; serotonin
Release Date:2020/11/16
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