Molecular and cellular basis of Lessel-Kreienkamp syndrome

RNA-Interferenz ist ein zentraler Mechanismus der post-transkriptionellen Genregulation in eukaryotischen Zellen. Vorläufer von microRNAs (miRNAs) werden transkribiert und zu reifen miRNAs prozessiert, um gemeinsam mit Argonaute-Proteinen (AGO1-4) den RNA-induced silencing complex RISC zu bilden. Jede miRNA kann über Basenpaarung eine Gruppe von Ziel-mRNAs binden. Dies führt zur Hemmung der Translation und zum Abbau in zytoplasmatischen processing (P-) bodies. Wir haben kürzlich Varianten des humanen AGO2-Gens als Ursache des Lessel-Kreienkamp-Syndroms (LESKRES) beschrieben, welches mit Intelligenzminderung, verzögerter motorischer Entwicklung und verzögerter Sprachentwicklung einhergeht. Pathogene missense-Varianten in AGO2 führen zu einer verminderten Aktivität des kodierten Proteins in shRNA-basierenden Tests in vitro. Vergleichbare Varianten im AGO1-Gen wurden bei Patienten mit einer ähnlichen neurologischen Entwicklungsstörung gefunden. Z.Zt. ist vollständig unklar, wie die Gesamtheit der miRNAs in LESKRES -Patienten verändert ist, welche Ziel-mRNAs des AGO2/miRNA-Komplexes im Gehirn in vivo fehlreguliert sind, und wie das Proteom verschiedener Gehirnregionen dadurch verändert wird. Weiterhin gibt es kein zelluläres oder Tiermodell für diese Erkrankung. Hier werden wir diese Fragen durch mehrere, komplementäre Ansätze bearbeiten. Wir werden untersuchen, wie pathogene Aminosäureaustausche in AGO2 und AGO1 die Gesamtheit der RISC- assoziierten miRNAs in Neuronen verändern. Wir werden iNeurons aus induzierbaren pluripotenten Stammzellen von Patienten untersuchen, die spezifische missense-Varianten in AGO2 tragen. Neben einer detaillierten Analyse der Effekte der AGO2-Varianten auf die Genexpression werden wir die kultivierten Neuronen mit Hinblick auf Veränderungen in der Morphologie, Synapsenbildung und Aktivität von Signalwegen evaluieren. Für einen zweiten Ansatz haben wir zwei der bei Patienten gefundenen missense-Varianten, sowie eine loss-of-function-Variante in das Genom von Mäusen eingefügt (Kooperationspartner am UKE Hamburg). Im Gehirn dieser Tiere werden wir den Effekt der Ago2-Varianten auf die Gesamtheit der miRNAs sowie ihrer Ziel-mRNAs untersuchen, auch im Hinblick auf Veränderungen im zellulären und synaptischen Proteom der Tiere. Weiterhin werden wir aufklären, wie Ago2-Varianten Funktion und Plastizität von Synapsen beeinflussen. Letztlich werden wir Verhaltenstests an diesen Tieren durchführen, um eventuelle Veränderungen in Lern- und Gedächtnisvorgängen zu erkennen. Insgesamt erhoffen wir uns, eine klare Vorstellung von den Veränderungen in der Genexpression zu erhalten, die auf Grund der bei den Patienten gefundenen Varianten in AGO2 auftreten. Zusätzlich werden wir neuronale und Mausmodelle der menschlichen Erkrankung erzeugen, die Möglichkeiten für die Erforschung eventueller Therapiewege aufzeigen sollen.

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