Molekylära och beteendemässiga konsekvenser av Ube3a överdosering av gen hos möss
3Abstrakt
Kromosom 15q11.2–q13.1 duplikationssyndrom (Dup15q syndrom) är en allvarlig neuroutvecklingsstörning som kännetecknas av intellektuell funktionsnedsättning, nedsatt motorisk koordination och autismspektrumstörning. Kromosomal multiplikation av UBE3A genen antas vara den primära drivkraften för Dup15q patofysiologi, givet det UBE3A uppvisar moderligt monoalleliskt uttryck i neuroner och att moderns duplikationer vanligtvis ger mycket allvarligare neuroutvecklingsresultat än paternala duplikationer. Studier av de patogena effekterna av UBE3A-överuttryck hos möss har dock gett motstridiga resultat. Här undersökte vi den neuroutvecklingsmässiga effekten av Ube3a genöverdosering med hjälp av bakteriella konstgjorda kromosombaserade transgena musmodeller (Ube3aOE) som rekapitulerar ökningarna i Ube3a kopienummer som oftast observeras i Dup15q. Till skillnad från tidigare publicerade Ube3a överuttrycksmodeller, Ube3aOE möss kunde inte skiljas från vildtypskontroller på ett antal molekylära och beteendemässiga åtgärder, trots att de drabbades av ökad dödlighet när de utmanades med anfall, en fenotyp som påminner om plötslig oväntad död vid epilepsi. Tillsammans stödjer våra data en modell där patogen synergi mellan UBE3A och andra överuttryckta 15q11.2–q13.1 gener krävs för full penetrering av Dup15q syndrom fenotyper.
Beskrivning
Human kromosom 15q11.2–q13.1 är exceptionellt känslig för strukturella avvikelser som resulterar i neurologiska störningar (1-5). Kluster av repetitiva sekvenser, som delvis härrörde från duplikationer av GOLGA8-genen, leder till existensen av 5 distinkta brytpunktsställen (BP1–BP5) som spänner över denna region (6-11). Dessa brytpunkter ökar risken för homolog rekombination under meios, vilket resulterar i antingen deletioner eller duplikationer av 15q11.2–q13.1 (4, 6, 11, 12).
Genomisk prägling ligger till grund för det monoalleliska, ursprungsspecifika uttrycket av olika 15q11.2–q13.1 gener. Följaktligen producerar paternal och maternal 15q11.2–q13.1 deletioner distinkta patofysiologier, som i sin tur resulterar i Prader-Willis respektive Angelmans syndrom (13, 14). Mödradupliceringar av samma region anses vara orsaken till en neuropsykiatrisk störning som kallas Dup15q-syndrom (11, 15). Dup15q syndrom definieras kliniskt av måttlig till djupgående intellektuell funktionsnedsättning, nedsatt motorisk koordination och autismspektrumstörning (ASD) (16-18). Vissa patienter kan ha interstitiell duplikation, ett tillstånd som kallas 15q11.2–q13.1 trisomi. I majoriteten av dupliceringshändelserna resulterar emellertid BP1–BP3-rekombination i en isodicentrisk tredubbling av 15q11.2–q13.1-regionen [idic(15)], vilket ger upphov till en övertallig kromosom 15 eller en 15q11.2–q13.1 .XNUMX tetrasomi (11, 19). Dup15q syndromets patologiska svårighetsgrad ökar proportionellt med antalet 15q11.2–q13.1 kopior, vilket betyder att idic(15) individer i allmänhet har svårare symtom än individer med interstitiell duplikation (16, 19).
Ansträngningar för att klargöra de patofysiologiska bidragen från specifika gener till Dup15q-syndromet har fokuserat på UBE3A (20-22). Av alla gener i regionen 15q11.2–q13.1, UBE3A enbart uppvisar celltypsspecifikt, modernt monoalleliskt uttryck. Faderns UBE3A allelen tystas i mogna neuroner och lämnar modern UBE3A som den enda källan till UBE3A-protein i dessa celler (23-25). Således är neuronal UBE3A-överdosering unik för moderligen ärvda 15q11.2–q13.1 duplikationer, som ger mycket allvarligare neuroutvecklingsfenotyper jämfört med de av faderligt ursprung (11, 15, 26). Dessutom moders arv av en omskriven UBE3A genduplicering har kopplats till utvecklingsförsening och neuropsykiatriska fenotyper i flera medlemmar av en enda familj; familjemedlemmar med faderligt arv av samma mutation var opåverkade (27). Sådana fynd har fokuserat linsen på UBE3A gendupliceringar som en viktig drivkraft för sjukdomspatologi vid Dup15q-syndrom.
UBE3A kodar för ett HECT E3 ubiquitinligas involverat i ubiquitin-medierad proteinomsättning (28, 29). Det anses allmänt att förmågan hos UBE3A att kontrollera mängden av dess proteinsubstrat är absolut nödvändig för att förhindra sjukdom (30, 31). UBE3A är också starkt inblandad i transkriptionell samaktivering (32-35), en annan funktion som kan vara avgörande för att upprätthålla cellulär homeostas. Även om UBE3A-brist obestridligen leder till Angelmans syndrom (14), har ett orsakssamband mellan UBE3A-överuttryck och Dup15q-syndromfenotyper visat sig svårfångat. Inte bara är kliniska bevis för UBE3A mikroduplicering sparsam (27), men också studier av konsekvenserna av UBE3A-överuttryck i musmodeller är motsägelsefulla. 2009 rapporterade Nakatani och kollegor om möss som hyser en duplicering av kromosom 7, den synteniska 15q11.2–q13.1-regionen hos möss. Överraskande nog var det möss med faderlig duplicering som visade ASD-liknande fenotyper i denna studie. Möss med moderns dubbelarbete visade inga märkbara beteendeavvikelser, vilket utmanade förväntningar baserade på moderns arv av Dup15q syndrom (36). I senare forskning ägnade olika grupper sig åt enbart UBE3A-överuttryck. Dessa ansträngningar gav nya transgena möss som visade sig uppvisa fenotyper som påminner om Dup15q syndrompatologi (20-22). Men designegenskaper som är inneboende i dessa modeller - alltför överdrivna Ube3a kopia nummer (21, 22), homozygot nedärvning av transgena alleler (20, 22), begränsad UBE3A isoformrepresentation (21), och inkorporeringen av funktionsförändrande proteintaggar (20-22) — har förvirrade tolkningar av deras patofysiologiska relevans för Dup15q-syndrom.
I denna studie beskriver vi transgena möss för modellering av UBE3A-överdosering eftersom det troligtvis skulle inträffa vid Dup15q-syndrom. Vår modell prioriterar sjukdomsrelevant överskott av Ube3a genkopior, den fullständiga representationen av enzymatiskt kompetenta UBE3A-isoformer och den trogna rekapituleringen av endogena UBE3A-uttrycksmönster i hjärnan. Genom att noggrant testa dessa möss för förändringar i genuttryck, synaptisk fysiologi och prestanda i UBE3A-känsliga och Dup15q-relevanta beteendeanalyser, återgår vi till UBE3A:s bidrag till Dup15q-syndromets patofysiologi från en position med förbättrad konstruktionsvaliditet.
