Hoe beïnvloedt torsin A mutatie de neuronale ontwikkeling in DYT1 dystonie?

Dystonie is de derde meest voorkomende neurologische motor aandoening met een prevalentie van 48,5 personen per 100000. Ondanks recente vooruitgang in de behandeling van dystonie symptomen, blijft de ziekte ongeneeslijk en de etiologie slecht gedefinieerd. Het eerste dystonie-gen werd in 1997 gevonden, wanneer heterozygositeit voor een drie basenparen mutatie in TOR1A/torsinA werd geïdentificeerd als de oorzaak van early-onset DYT1/DYT-TOR1A dystonie. Onlangs werd er ook aangetoond dat TOR1A-mutaties een recessieve neurologische aandoening kunnen veroorzaken. Deze aandoening is ernstiger dan de dominante DYT-TOR1A dystonie, omdat kinderen die worden geboren met homozygote TOR1A-mutaties lijden aan meer algemene neurologische dysfunctie en symptomen in utero ontstaan. Het feit dat mutaties in TOR1A/ torsinA leiden tot een spectrum van neurologische ontwikkelingsaandoeningen, benadrukt hoe cruciaal het is om de functie van TOR1A tijdens de neurale ontwikkeling te begrijpen. Deze informatie is essentieel voor het ontwerpen van therapieën tegen TOR1A/ torsinA-ziekten.

TorsinA maakt deel uit van de AAA + ATPase-familie. Deze eiwitten gebruiken de energie van ATP-hydrolyse om structurele veranderingen in substraten aan te brengen. Verschillende bewijslijnen suggereren sterk dat torsinA werkzaam is in de nucleaire enveloppe (NE) tijdens de neurale ontwikkeling. De specifieke rol van torsinA in de NE blijft echter obscuur. Dit is te wijten aan het feit dat de functie(s) van torsinA voornamelijk in vitro en in niet-neuronale celtypen zijn bestudeerd. Hierbij werd een verscheidenheid aan cellulaire functies voor torsinA ontdekt, maar het blijft onduidelijk welke relevant zijn tijdens de neurale ontwikkeling, alsook of er specifieke celtypen of ontwikkelingsstadia zijn die torsinA-activiteit vereisen. Opmerkelijk is dat er verschillende studies zijn die een verband rapporteren tussen torsinA en het LINC-complex, dat het nucleoskelet koppelt aan het cytoskelet. Het LINC-complex wordt gevormd door Sun-eiwitten en Nesprins, dit zijn transmembraan-eiwitten in de binnenste en buitenste kernmembranen, respectievelijk. De aard van de relatie tussen torsinA en het LINC-complex lijkt afhankelijk van de celcontext. Sommige celtypen lijken torsinA te gebruiken om NE LINC-complexen te verwijderen, terwijl in andere gevallen torsinA juist LINC-complexen aan de NE lijkt toe te voegen. Bovendien is het onduidelijk of torsinA een interactie aangaat met Sun-eiwitten en/of met Nesprins. Aan tonen welk van deze torsin 'functies' belangrijk is tijdens de neurologische ontwikkeling is van groot belang on de link tussen torsinA-mutaties en de ziekte te begrijpen. Dit is eveneens de belangrijkste focus van deze thesis.

In dit project hebben we een TOR1a/ torsinA knock-out muis gebruikt om de functie(s) van torsinA tijdens de neurale ontwikkeling te onderzoeken. We hebben een niet-eerder gerapporteerd defect geïdentificeerd, waarbij Tor1a-deletie leidt tot semi-penetrante defecten in hersenmorfogenese. Dit suggereert dat het spectrum van de menselijke TOR1A-ziekte nog niet volledig werd ontleed en zich dus eveneens kan uitbouwen tot patiënten met een abnormale hersenontwikkeling. We vonden ook overtollige NE LINC-complexen in de neurale progenitorcellen van deze Tor1a -/- muizen. Bijgevolg hebben we deze overvloed aan LINC-complexen sterk geassocieerd met de verhoogde proliferatie van radiale gliacellen en de afbraak van de cytoarchitectuur in de ontwikkelende hersenen - uiteindelijk resulterend in een abnormale ontwikkeling van de hersenen. Dit houdt onder meer in dat we - met Sun2-deletie - een mogelijk verband tussen overmatige LINC-complexen en abnormale hersenmorfogenese in Tor1a -/ - embryo's hebben aangetoond. Verder werd het concept dat torsinA LINC-complexen negatief reguleert in neurale ontwikkeling ondersteund door karakterisatie van Sun1 / Sun2 dubbele knock-out muizen. Dit identificeerde dat Sun1/ Sun2 dubbele knock-out neuron membraandefecten vertonen die lijken op degene we eerder associeerden met overmatige torsinA-activiteit in vitro. Dit illustreerde voor het eerst een functie van Sun-eiwitten in nucleaire membraanbiogenese en toonde aan dat torsinA het cellulaire lipide metabolisme reguleert tijdens de ontwikkeling van het CZS. We laten ook zien dat, in tegenstelling tot radiale gliacellen, ontwikkelende neuronen de LINC-complexcomponenten op een torsinA-onafhankelijke manier uitwisselen. We onderzochten eveneens of het teveel aan LINC complexen aan de basis lag van de abnormaliteiten in NE-membraan in ontwikkelende neuronen. We vonden echter ook dat abnormaliteiten van torsinA NE-membranen ontstaan in de afwezigheid van LINC-complexen. Zodoende laat deze data zien dat torsine A geen LINC-complexniveaus in de NE van ontwikkelende neuronen reguleert.

Over het algemeen breidt deze studie het in-vitro werk aanzienlijk uit door de neuro-ontwikkelingsrelevante aard van de torsine A-LINC-complexinteractie te definiëren. We tonen aan dat torsinA nodig is bij vroege neurale ontwikkeling in radiale gliacellen om de niveaus van LINC-complex in het NE te verlagen. Het falen van deze uitwisseling leidt tot overmatige LINC-complexen die op hun beurt de radiale glial biologie schaden, wat uiteindelijk leidt tot tekort aan hersenontwikkeling. Bovendien laten we zien dat de uitwisseling van LINC-complexen plaatsvindt onafhankelijk van torsin A ontwikkelende neuronen. In zijn geheel, omvatten deze gegevens het LINC-complex en de dysfunctie van radiale gliacellen in TOR1A-pathologie. Bovendien voorspelt deze studie dat het volledige spectrum van recessieve TOR1A-ziekte een semi-penetrante pathologie zal omvatten waarbij structurele hersendefecten downstream van radiale gliaceldysfunctie optreden.