Modeling neurodevelopment and cortical dysfunction in SPG11-linked hereditary spastic paraplegia using human induced pluripotent stem cells

Doctoral thesis English OPEN
Mishra, Himanshu Kumar (2016)
  • Subject: SPG11 | neurodevelopment | iPSC | neurodegeneration | Naturwissenschaftliche Fakultät
    • ddc: ddc:570 | ddc:610

Hereditary spastic paraplegias (HSPs) are a heterogeneous group of inherited motor neuron diseases characterized by progressive spasticity and weakness of the lower limbs. Mutations in the Spastic Paraplegia Gene11 (SPG11), encoding spatacsin, cause the most frequent form of autosomal recessive HSP. SPG11 patients are clinically distinguishable from most other HSPs, by severe cortical atrophy and presence of a thin corpus callosum (TCC), associated with cognitive deficits. Partly due to lack of a relevant disease model, the distinct cellular and molecular mechanisms modulating these symptoms have not been deciphered so far. We generated induced pluripotent stem cells (iPSCs) from three SPG11 patients, having heterozygous nonsense and/or splice site mutations, and two age matched controls. We differentiated these iPSCs into forebrain neuronal cells and investigated the neuronal pathology associated with the disease. The overall aim of our study was to (i) investigate the spatio-temporal localization and expression analysis of spatacsin in different cell types available (ii) to recapitulate early neurodevelopmental deficits at the cortical neural progenitor cells (NPCs) stage, and (iii) to delineate the neurodegenerative phenotype and slowly progressive cortical degeneration in terminally differentiated neurons. We show here, preferential expression of spatacsin in human neurons, particularly in cortical projection neurons. Importantly, spatacsin is temporally expressed all throughout neuronal differentiation and maturation. Our NPC model evidenced, widespread transcriptional alterations in neurodevelopmental pathways, associated with proliferation deficit and impaired cortical neurogenesis. Interestingly, these early developmental phenotypes were rescued by GSK3 modulation. Examination of terminally differentiated neurons from SPG11 patients revealed axonal degeneration, impaired vesicular transport and reduced neuritic complexity. In conclusion, our human iPSC model reveals a novel temporal scenario for SPG11: early onset proliferation and neurogenesis anomalies during cortical development (in first two decades), mimicking a TCC and cortical atrophy. Progressive axonal degeneration, in the ensuing decades, results in impaired axonal transport, with the clinical correlates of spastic paraparesis and peripheral neuropathy. Furthermore, this in-vitro model offers an ideal platform to screen novel therapeutic compounds for an intervention during early disease stages, thereby paving the road to discover new treatment strategies for SPG11 related HSPs. Hereditäre Spastische Paraplegien (HSPs) stellen eine heterogene Gruppe erblicher Motoneuronenerkrankungen dar, die durch fortschreitende spastische Paraparese bestimmt sind. Mutationen im Spastic Paraplegia Gene11 (SPG11), das für Spatacsin kodiert, verursachen die häufigste Form der autosomal-rezessiven HSP. SPG11-Patienten können klinisch von den meisten anderen HSP-Varianten anhand einer schweren kortikalen Atrophie und einem dünnen Corpus Callosum (DCC) unterschieden werden, was mit kognitiven Defiziten einhergeht. Teilweise wegen des Mangels an relevanten Krankheitsmodellen, sind die unterschiedlichen zellulären und molekularen Mechanismen welche die Symptome verursachen, bisher nicht bekannt. Wir haben daher humane induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) von drei SPG11-Patienten erzeugt, die heterozygote nonsense und/oder splice site Mutationen tragen. Zudem haben wir zwei mit dem Patientenalter übereinstimmende hiPSC-Kontrollen generiert. Anschliessend haben wir die hiPSCs zu Neuronen des Telencephalons differenziert und die neuronale Pathologie untersucht, die mit der Erkrankung zusammenhängt. Das Ziel der Arbeit war es (i) die räumlich-zeitliche Lokalisation und Expression von SPG11/Spatacsin in den unterschiedlichen Zelltypen zu untersuchen, (ii) die Defizite der frühen Neuralentwicklung an den kortikalen neuralen Vorläuferzellen (NPCs) zu analysieren (iii) und den neurodegenerativen Phänotyp und die allmählich fortschreitende koritkale Degeneration in den ausdifferenzierten Neuronen zu untersuchen. Wir zeigen hier, dass Spatacsin bevorzugt in humanen Nervenzellen exprimiert wird, insbesondere in kortikalen Projektionsneuronen. Wichtig ist, dass Spatacsin während der kompletten neuronalen Differenzierung und Reifung exprimiert wird. Unser NPC-Modell hat weit verbreitete Transkriptions Veränderungen in den Signalwegen der Neuronalentwicklung, die mit Proliferationsdefiziten und der Beeinträchtigung der kortikalen Neurogenese verbunden sind. Interessanterweise konnten diese frühen Entwicklungsphänotypen durch GSK3 Modulation revertiert werden. Darueberhinaus zeigte die Untersuchung der terminal differenzierten Neuronen aus SPG11 Patienten einen eingeschränkten axonalen Transport und eine reduzierte Komplexität der Nervenzellfortsaetze im Vergleich zu den Kontrollen. Zusammenfassend postuliert unser humanen iPSC Modell zum ersten Mal eine neues zeitliches Szenario für die SPG11 Pathologie: früh einsetzende Proliferations- und Neurogenese Defizite in der kortikalen Entwicklung (in den ersten beiden Lebensjahrzehnten), welche die Pathologie des DCC und der kortikale Atrophie repraesentiert. In den darauf folgenden Jahrzehnten kommt es zur fortschreitenden Axondegeneration, mit gestörtem axonalem Transport, was mit dem klinischem Auftreten der spastischen Paraparese und einer Neuropathie korreliert. Darüberhinaus bietet dieses in-vitro Modell eine geeignete Plattform, um nach neuen Wirkstoffen zu screenen, die schon im frühen Stadium der Erkrankung eingreifen, was die Möglichkeit neuartiger Therapieansätze für die SPG11-assoziierte HSP eröffnet.
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