Maria Rosaria Vitale

• While the healthy brain works through balanced synaptic communication between glutamatergic and GABAergic neurons to coordinate excitation (E) and inhibition (I), disruption of E/I balance interferes with synaptic communication, information processing, and ultimately cognition. Multiple line of evidence indicates that E/I imbalance represents the pathophysiological basis of a wide spectrum of mental disorders. Genetic screening approaches have identified Cadherin-13 (CDH13). as a risk gene across neurodevelopmental and mentalWhile the healthy brain works through balanced synaptic communication between glutamatergic and GABAergic neurons to coordinate excitation (E) and inhibition (I), disruption of E/I balance interferes with synaptic communication, information processing, and ultimately cognition. Multiple line of evidence indicates that E/I imbalance represents the pathophysiological basis of a wide spectrum of mental disorders. Genetic screening approaches have identified Cadherin-13 (CDH13). as a risk gene across neurodevelopmental and mental disorders. CDH13 regulates several cellular and synaptic processes in brain development and neuronal plasticity in adulthood. In addition to other functions, it is specifically localized at inhibitory synapses of parvalbumin- and somatostatin-expressing GABAergic neurons. In support of CDH13’s function in moderating E/I balance, electrophysiological recordings of hippocampal slices in a CDH13-deficient mouse model revealed an increase in basal inhibitory but not excitatory synaptic transmission. Moreover, the search for genetic variants impacting functional expression of the CDH13 gene identified SNP (single nucleotide polymorphism)) rs2199430 in intron 1 to be associated with differential mRNA concentrations in human post-mortem brain across the three genotypes CDH13G/G, CDH13A/G and CDH13A/A . This work therefore aimed to further validate these findings in a complementary human model by using induced pluripotent stem cells (iPSCs). The application of human iPSCs in research has replaced the use of embryonic cells, resolving the ethical conflict of destructive usage of human embryos. Investigating CDH13’s mode of action in inhibitory synapses was predicted to facilitate mechanistic insight into the effects of CDH13 gene variants on E/I network activity, which can then be targeted to reinstate balance. Genome-wide association studies have identified rare copy number variants (CNVs) resulting in a deletion (or duplication) of CDH13. To reduce genetic background variance, a set of isogenic iPSC lines with a gene dose-dependent deficiency of CDH13 (CDH13-/- and CDH13+/- ) was generated by using the Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated protein 9 (CRISPR/Cas9) system. These CRISPRed iPSCs carrying a single or two allele(s) with CDH13 inactivation facilitate investigation of CDH13 function in cellular processes, at inhibitory synapses and in neuronal network activity. In addition, iPSCs carrying allelic SNP rs2199430 variants were used to study the effects of common genetic variation of CDH13. These cell lines were differentiated into pure glutamatergic and GABAergic neurons and co-cultured to generate neuronal networks allowing its activity to be measured and correlated with electrophysiological signatures of differential CDH13 genotypes. The work towards assessment of neuronal network activity of the iPSC lines was subdivided into three major steps: first, generating rtTA/Ngn2 and rtTA/Ascl1-positive iPSCs via a lentivirus-mediated approach; second, differentiating pure glutamatergic and GABAergic neurons from the genetically transduced iPSCs and co-culturing of pure glutamatergic and GABAergic neurons in a pre-established ratio (65:35) by direct differentiation upon supplementation with doxycycline and forskolin on a microelectrode array (MEA) chip; and, finally, recording of neuronal network activity of iPSC lines after 49 days in vitro, followed by extraction and analyses of multiple MEA parameters. x Based on the MEA parameters, it was confirmed that complete CDH13 knockout as well as heterozygous deficiency influence E/I balance by increasing inhibition. It was further revealed that common SNP variation alters the signature of neuronal network activity. Specifically, CDH13 deficiency resulted in a significant reduction in network burst duration (NBD), reduced number of detected spikes within a network burst and reduction in network burst rate (NBR) compared to the control (CDH13G/G). CDH13A/G and CDH13A/A showed similarities with the CRISPRed CDH13-deficient networks by showing a significant reduction in the NBD and a reduced number of detected spikes within a network compared to CDH13G/G. Strikingly. there was a significant increase in the NBR of the CDH13A/G and CDH13A/A compared to CDH13G/G networks. CDH13A/G networks exhibited significant differences in both parameters. At the cellular level, this indicates that signalling pathways which determine the length and frequency of network bursts differ among allelic variants of SNP rs2199430, thus confirming functional relevance of this intronic SNP. In summary, CDH13-deficient isogenic iPSC lines were generated using CRISPR/Cas9, iPSCs were genetically transduced via a lentivirus approach, direct differentiation of glutamatergic/GABAergic neurons derived from transduced iPSCs were used to establish a scalable co-culture system, and network activity was recorded by MEA using pre-established parameters to extract and analyze activity information. The results indicate that iPSC-derived neuronal networks following CRISPR/Cas9-facilitated CDH13 inactivation, as well as networks with allelic SNP variants of CDH13, moderate E/I balance, thus advancing understanding of CDH13 function at inhibitory synapses and elucidating the effects of rare and common CDH13 gene variation.…
• Während das gesunde Gehirn auf der Basis einer ausgewogenen synaptischen Kommunikation zwischen glutamatergen und GABAergen Neuronen arbeitet, um Exzitation (E) und Inhibition (I) zu koordinieren, beeinträchtigt eine Störung des E/I-Gleichgewichts die synaptische Kommunikation, die Informationsverarbeitung und letztlich die Kognition. Zahlreiche Hinweise deuten darauf, dass ein eingeschränktes E/I-Gleichgewicht die pathophysiologische Grundlage eines breiten Spektrums psychischer Erkrankungen darstellt. Genetische Screening-AnsätzeWährend das gesunde Gehirn auf der Basis einer ausgewogenen synaptischen Kommunikation zwischen glutamatergen und GABAergen Neuronen arbeitet, um Exzitation (E) und Inhibition (I) zu koordinieren, beeinträchtigt eine Störung des E/I-Gleichgewichts die synaptische Kommunikation, die Informationsverarbeitung und letztlich die Kognition. Zahlreiche Hinweise deuten darauf, dass ein eingeschränktes E/I-Gleichgewicht die pathophysiologische Grundlage eines breiten Spektrums psychischer Erkrankungen darstellt. Genetische Screening-Ansätze haben Cadherin-13 (CDH13) als Risikogen für neuropsychiatrische Erkrankungen identifiziert. CDH13 reguliert mehrere zelluläre und synaptische Prozesse bei der Gehirnentwicklung und der neuronalen Plastizität im Erwachsenenalter. Neben anderen Funktionen ist es spezifisch an hemmenden Synapsen von Parvalbumin- und Somatostatin-exprimierenden GABAergen Neuronen lokalisiert. Als Hinweis für die Funktion von CDH13 bei der Regulierung des E/I-Gleichgewichts ergaben elektrophysiologische Ableitungen von Hippocampusschnitten in einem CDH13-defizienten Mausmodell einen Anstieg der basalen inhibitorischen, nicht aber der exzitatorischen synaptischen Übertragung. Darüber hinaus wurde bei der Suche nach genetischen Varianten die sich auf die funktionelle Expression des CDH13-Gens auswirken, der SNP (single nucleotide polymorphism, Einzelbasenpolymorphismus) rs2199430 im Intron 1 identifiziert, der mit den mRNA-Konzentrationen im menschlichen post-mortem Gehirn in einer vom Genotyp CDH13G/G - CDH13A/G- und CDH13A/A-abhängigen Weise assoziiert ist. Ziel dieser Arbeit war es daher, diese Ergebnisse in einem komplementären menschlichen Modell unter Verwendung induzierter pluripotenter Stammzellen (induced pluripotent stem cells, iPSCs) zu bestätigen, und damit zu validieren. Die Anwendung menschlicher iPSCs in der Forschung hat embryonale Zellen ersetzt und den ethischen Konflikt aufgelöst, der im Zusammenhang mit der verbrauchenden Verwendung menschlicher Embryonen besteht. Die Untersuchung der Wirkungsweise von CDH13 in inhibitorischen Synapsen sollte einen mechanistischen Einblick in die Auswirkungen von CDH13-Genvarianten auf die Aktivität des E/I-Netzwerks ermöglichen, die dann gezielt zur Wiederherstellung des Gleichgewichts eingesetzt werden können. Genomweite Assoziationsstudien identifizierten seltene Kopienzahlvarianten (copy number variants, CNVs), die zu einer Deletion (oder Duplikation) des CDH13-Gens führen. Um die genetische Hintergrundsvarianz zu verringern, wurde mit Hilfe des CRISPR/Cas9-Systems (Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated protein 9) eine Reihe isogener iPSC-Linien mit einem dosisabhängigen Mangel an CDH13-Gen (CDH13- /- und CDH13+/-) erzeugt. Die CRISPR-modifizierten iPSCs, bei denen CDH13 auf einem einzelnen oder zwei Allel(en) inaktiviert wurde, ermöglichen die Untersuchung der CDH13- Funktion in zellulären Prozessen, an hemmenden Synapsen und in der Aktivität neuronaler Netzwerke. Darüber hinaus wurden iPSCs, die die allelischen Varianten des SNP rs2199430 tragen, verwendet, um die Auswirkungen der häufigen genetischen Variation des CDH13- Gens zu untersuchen. Diese Zelllinien wurden zu reinen glutamatergen und GABAergen Neuronen differenziert und ko-kultiviert, um neuronale Netzwerke zu erzeugen, deren Aktivität gemessen und mit elektrophysiologischen Signaturen unterschiedlicher CDH13-Genotypen korreliert wurde. Die Arbeiten zur Bestimmung der neuronalen Netzwerkaktivität der iPSC� Linien wurden in drei Hauptschritte unterteilt: erstens die Erzeugung von rtTA/Ngn2- und xii rtTA/Ascl1-positiven iPSCs über einen Lentivirus-vermittelten Ansatz; zweitens die Differenzierung reiner glutamaterger und GABAerger Neuronen aus den genetisch transduzierten iPSCs und die Ko-Kultur reiner glutamaterger und GABAerger Neuronen in einem vorher festgelegtem Verhältnis (65: 35) durch direkte Differenzierung unter Zugabe von Doxycyclin und Forskolin auf einem Mikroelektroden-Array (MEA)-Chip; und schließlich die Aufzeichnung der neuronalen Netzwerkaktivität der iPSC-Linien nach 49 Tagen in vitro, gefolgt von der Extraktion und Analyse verschiedener MEA-Parameter. Anhand der MEA-Parameter wurde bestätigt, dass sowohl kompletter CDH13-Knockout als auch heterozygote Defizienz das E/I-Gleichgewicht durch verstärkte Inhibition beeinflussen. Darüber hinaus zeigte sich, dass häufige SNP-Variation die Signatur der neuronalen Netzwerkaktivität verändert. Insbesondere führte CDH13-Defizienz zu einer signifikanten Verringerung der Dauer der Netzwerk-Bursts (NBD), einer geringeren Anzahl von erkannten Spikes innerhalb eines Netzwerk-Bursts und einer signifikanten Verringerung der Netzwerk� Burst-Rate (NBR) im Vergleich zur Kontrolle (CDH13G/G). CDH13A/G und CDH13A/A wiesen Ähnlichkeiten mit den CRISPR-modifizierten CDH13-defizienten Netzwerken auf, indem sie im Vergleich zu CDH13G/G eine signifikante Verringerung der NBD und eine geringere Anzahl von erkannten Spikes innerhalb eines Netzwerks aufwiesen. Auffallend war eine signifikante Zunahme der NBR in den CDH13A/G- und CDH13A/A-Netzwerken im Vergleich zu den CDH13G/G-Netzwerken. CDH13A/G-Netzwerke wiesen bei beiden Parametern signifikante Unterschiede auf. Auf zellulärer Ebene deutet dies darauf hin, dass sich die Signalwege, die die Länge und Häufigkeit von Netzwerk-Bursts bestimmen, zwischen den allelischen Varianten des SNP rs2199430 unterscheiden, was die funktionelle Bedeutung dieses intronischen SNP bestätigt. Zusammenfassend wurden CDH13-defiziente isogene iPSC-Linien mit CRISPR/Cas9 erzeugt, iPSCs wurden mit Hilfe eines Lentivirus-Ansatzes genetisch transduziert, direkte Differenzierung von glutamatergen/ GABAergen Neuronen, die von transduzierten iPSCs abgeleitet wurden, wurden verwendet, um ein skalierbares Ko-Kultursystem zu etablieren. Die Netzwerkaktivität wurde mit MEA aufgezeichnet, wobei zuvor festgelegte Parameter verwendet wurden, um Aktivitätsinformationen zu extrahieren. Die Ergebnisse zeigen, dass iPSC-abgeleitete neuronale Netzwerke nach CRISPR/Cas9-vermittelten CDH13-Inaktivierung sowie Netzwerke mit allelischen SNP-Varianten von CDH13 das E/I-Gleichgewicht beeinflussen, was das Verständnis der CDH13-Funktion an hemmenden Synapsen fördert und die Auswirkungen seltener und häufiger CDH13-Genvariationen aufklärt.…