Mechanisms of microcephaly caused by defective centrosome biogenesis in human iPSC-derived brain organoids

Eine Mikrozephalie ist eine gravierende Entwicklungsstörung des Menschen. Betroffene haben einen zu kleinen Schädel und sind in der Regel geistig behindert. Viele Patienten haben Krampfanfälle, sind motorisch behindert und kleinwüchsig.
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Bewilligung

Juni 2017

Laufzeit

2 Jahre

Fördersumme

Förderbereich

Medizin und Naturwissenschaften
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Eine Mikrozephalie kann durch Mutationen in Genen hervorgerufen werden, die das Zentrosom codieren. Personen mit diesem Handicap haben oft zu viele Zentrosomen. Die meisten tierischen Zellen benötigen ein Zentrosom für ihre Zellteilung. Das Organell sorgt dafür, dass ein sogenannter Spindelapparat gebildet wird, der die Chromosomen während der Kernteilung gleichmäßig auf die beiden Tochterzellen verteilt; es ist aber auch in die Regulation des Zellzyklus insgesamt mit eingebunden. Das Zentrosom muss daher in irgendeiner Weise in den Prozess eingebunden sein, mit dem festgelegt wird, wie viele Neuronen im sich entwickelnden Gehirn entstehen.

Nach entsprechenden Mechanismen sucht Dr. Gopalakrishnan mithilfe sogenannter Hirn-Organoide – vereinfachten und verkleinerten hirnartigen Strukturen, deren Entwicklung der des normalen Gehirns in vielerlei Hinsicht ähnelt. Diese Miniatur-Gehirne sind aus Fibroblasten betroffener Patienten hervorgegangen, die zunächst zu induzierten pluripotenten Stammzellen zurückentwickelt wurden. Mithilfe dieser Organoide hofft Dr. Gopalakrishnan, die Organentwicklung präziser rekonstruieren zu können, als das mit den bisher gängigen zweidimensionalen Zellkulturen möglich ist.

An diesen Zellkulturen möchte er vor allem klären, warum es im Gehirn Betroffener zu einem Schwund an neuronalen Stammzellen kommt, den er für die Entwicklungsdefizite und die Mikrozephalie verantwortlich macht. Als mögliche Störfaktoren hat er die beiden zentrosomalen Gene Cep135 und CDK5RAP2 ausgemacht. Mutationen in beiden Genen führen dazu, dass man in den entsprechenden Zellen zu viele Zentrosomstrukturen findet und die betroffenen Personen eine Mikrozephalie entwickeln – und das, obwohl beide Gene ganz unterschiedliche Funktionen haben: Während es sich beim Genprodukt Cep135 um ein hochgradig konserviertes Strukturprotein der Zentriole, einer Komponente des Zentrosoms, handelt, gehört das Genprodukt CDK5RAP2 zu dem Material, das die beiden Zentriolen einer Zelle umgibt; außerdem wird CDK5RAP2 für die Reifung der Zentrosomen benötigt.

Zunächst einmal analysiert Dr. Gopalakrishnan elektronenmikroskopisch, ob es sich bei den überzähligen Zentrosomenstrukturen nur um Fragmente oder ganze Organellen handelt. Zudem überprüft er, welche funktionellen Defizite im Einzelnen durch diese Mutationen entstehen. Anschließend versucht er sowohl an zweidimensionalen Zellkulturen als auch an seinen Organoiden auszuloten, warum die Anzahl der neuronalen Stammzellen bei einer fehlerhaften Biogenese der Zentrosomen so stark abnimmt. Dabei wird überprüft, ob dafür ein verfrühter Differenzierungsprozess aufgrund von Verzögerungen im Zellzyklus oder ein programmierter Zelltod aufgrund überzähliger Spindelstrukturen verantwortlich ist.