Forskare har visat hur mutationer i nyckelgener för aktin kan leda till onormalt små hjärnor hos barn med Baraitser–Winter-syndrom. Med laboratorieodlade humana hjärnorganoider fann teamet att dessa mutationer ändrar riktningen på tidiga hjärnprogenitorcellers delningar och utarmar avgörande stamcellspopulationer, vilket ger en cellmekanism för syndromets mikrocefali.
Ett samarbete mellan forskare från German Primate Center – Leibniz Institute for Primate Research, Hannover Medical School och Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics har identifierat en cellmekanism som förklarar mikrocefali vid Baraitser–Winter-syndrom.
Den sällsynta utvecklingsstörningen orsakas av missense-mutationer i aktin-generna ACTB och ACTG1, som kodar för ubikvida cytoplasmatiska aktin-isoformer som är centrala komponenter i cytoskelettet – det interna ställverket som formar celler och stödjer intracellulär transport.
För att undersöka hur dessa mutationer försämrar hjärntillväxt genererade forskarna inducerade pluripotenta stamceller från hudceller donerade av individer med Baraitser–Winter-syndrom och differentierade dem till tredimensionella cerebrala organoider som modellerar tidig humant hjärnutveckling. Enligt en sammanfattning från German Primate Center och studien i EMBO Reports var organoider från patientceller cirka en fjärdedel mindre än från friska donatorer efter cirka 30 dagars tillväxt, och de interna ventrikelliknande regionerna, där progenitorceller ger upphov till tidiga nervceller, var också signifikant reducerade i storlek.
En detaljerad analys av organoiderna avslöjade en förskjutning i neurala stam- och progenitorcellspopulationer. Antalet apikala progenitorceller i ventrikelzonomliknande regioner – den huvudsakliga progenitorpoolen som driver expansionen av cerebral cortex – var markant reducerat, medan basala progenitorer, som normalt uppstår senare i utvecklingen, var relativt mer abundanta. EMBO Reports-artikeln kopplar denna förändring till förändrad klyvningsplansorientering under mitos: istället för huvudsakligen vertikala, rätvinkliga delningar som gynnar självförnyelse av apikala progenitorer inträffade många delningar i mutanta celler horisontellt eller i sneda vinklar, vilket främjar delaminering och konvertering till basala progenitorer och därmed begränsar hjärntillväxten.
"Våra fynd ger den första cellulära förklaringen till mikrocefali hos personer med det sällsynta Baraitser–Winter-syndromet", sade Indra Niehaus, förstaförfattare till studien och forskarassistent vid Hannover Medical School, i uttalanden från German Primate Center och associerade nyhetskanaler.
Högupplöst och elektronmikroskopi visade ytterligare subtila men konsekventa abnormiteter vid organoidernas ventrikelyta, inklusive oregelbundna cellformer, ökade utskott mellan granneceller och onormalt höga nivåer av tubulin vid cellförbindelser. Trots att vävnadens övergripande arkitektur förblev igenkännbar rapporterar författarna att dessa cytoskelett- och morfologiska oregelbundenheter troligen är tillräckliga för att ändra delningsorienteringen och öka takten för apikala progenitorers detachment från ventrikelzonen.
För att bekräfta att aktin-mutationerna själva orsakar dessa defekter använde teamet CRISPR/Cas9-genomredigering för att införa samma Baraitser–Winter-associerade mutation i en annars frisk humant stamcellinje. Cerebrala organoider odlade från de redigerade cellerna reproducerade den reducerade storleken och progenitorcellabnormiteterna sedda i patientderiverade organoider, vilket stödjer en direkt kausal länk mellan den enstaka genmutationen och störd tidig hjärnutveckling.
"En enda förändring i cytoskelettet räcker för att störa förloppet av tidig hjärnutveckling", noterade Michael Heide, gruppledare vid German Primate Center och seniorförfattare till studien, i institutets pressmeddelande.
Arbetet, publicerat i EMBO Reports under titeln "Cerebral organoids expressing mutant actin genes reveal cellular mechanism underlying microcephaly", understryker värdet av hjärnorganoider för modellering av humana neuro-utvecklingsstörningar. Enligt kommentarer från forskningslaget kan fynden hjälpa kliniker att bättre tolka och klassificera genetiska varianter hos patienter med misstänkt Baraitser–Winter-syndrom. Författarna föreslår också att, medan direkta ingrepp under tidig fetal hjärnutveckling skulle vara mycket utmanande, framtida behandlingar som modulerar interaktioner mellan aktin och mikrotubuli i princip kan erbjuda nya behandlingsvägar.
