The role of chd7 in brain development in a Zebrafish model for CHARGE syndrome

Jamadagni, Priyanka (2022). The role of chd7 in brain development in a Zebrafish model for CHARGE syndrome Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 146 p.

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Résumé

Pathogenic variants in the gene - chromodomain, helicase, DNA binding (CHD) 7, an ATP-dependent chromatin remodeller are a major cause of a developmental disorder called CHARGE syndrome. CHARGE is an acronym that describes the characteristic features presented by the patients: Coloboma, Heart defects, Atresia choanae, Retardation in growth and development, Genital abnormalities, and Ear defects. In severe cases of CHARGE, patients rarely survive beyond 5 years of age, and yet there is no known treatment to alleviate its defects beyond behavioural therapy. Although not prominently included in its diagnostic criteria, patients with CHARGE often present with brain developmental defects and behavioural anomalies that include microcephaly, intellectual disability, seizures and overlapping symptoms with autism spectrum disorders (ASD), hyperactivity, attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) and obsessive-compulsive disorder (OCD). However, little is known about the molecular mechanisms that underlie these neurological symptoms upon pathogenic variations in chd7. Here, I have characterized the role of chd7 in brain development using a CRISPR-cas9 chd7 knockout zebrafish model. Our chd7-/- mutant zebrafish mimicked the characteristic features presented in CHARGE patients like heart developmental defects, cranio-facial defects, cranial nerve abnormalities, small head phenotype and were behaviourally hyperactive. We showed that this hyperactive phenotype in the chd7-/- mutants is underlined by a reduction in the number of GABAergic neurons. Employing an unbiased transcriptomic analysis in the chd7-/- mutant brains, we identified a gene -paqr3b-that is most downregulated. paqr3b (progestin and adipoQ receptor 3 protein) is an inhibitor of the MEK/ERK pathway. Interestingly, we report hyperphosphorylation of ERK (via increased p-ERK levels) in the mutant brains compared to the controls. An independent inhibition of the p-ERK in the mutant brains partially restores the number of GABAergic neurons and the hyperactivity. Further, overexpression of paqr3b also rescues the number of GABAergic neurons and restores the levels of p-ERK. Thus, paqr3b contributes to the GABA network defect and the hyperactivity via the MEK/ERK pathway. We could validate the reduced levels of PAQR3 in CHD7 mutation positive CHARGE syndrome patient derived lymphoblastoid cell lines (LCLs). And this reduction in the expression of PAQR3 is in fact due to the reduced occupation of its proximal promoters by CHD7. Next, we report an increase in the number of Sox2 and GFAP positive neural stem/progenitor cells (NSPCs) in the chd7-/- mutant brains, with a reduction in the number of Sox2 positive progenitor cells that eventually differentiate into GABAergic neurons. An overexpression of paqr3b restores the number of both the Sox2 and GFAP positive NSPCs in the chd7-/- mutant brains along with the number of Sox2 positive progenitor cells that are determined into GABAergic neurons. This suggests a potential and novel role for the chd7-paqr3b regulatory axis in neurogenesis. Lastly, employing zebrafish and C. elegans chd7-mut models in a high throughput drug screen we identified a small neuroprotective molecule called Ephedrine that partially rescues the hyperactivity and number of GABAergic neurons via the MEK/ERK pathway by partially restoring the p-ERK levels. In conclusion, this study has added to the understanding of the mechanistic link between chd7 and the neurodevelopmental defects observed in CHARGE syndrome. This understanding can be potentially extrapolated to other neurodevelopmental disorders that have shared aetiology or symptoms with CHARGE syndrome.

Des mutations dans le gène - chromodomaine, hélicase, liaison à l'ADN (CHD) 7, un facteur de remodelage de la chromatine dépendant de l'ATP, sont une cause majeure de la maladie congénitale du syndrome de CHARGE (CS). CHARGE est un acronyme qui décrit les caractéristiques présentées par les patients : Colobome, malformations cardiaques (Heart), Atrésie des choanes, Retard de croissance et de développement, anomalies Génitales et anomalies de l'oreille (Ear). Dans les cas graves de CS, les patients survivent rarement au-delà de 5 ans, pourtant, il n'existe aucun traitement connu pour atténuer ses effets mis à part la thérapie comportementale. Bien qu'ils ne représentent pas un critère majeur de diagnostic, les patients atteints de CHARGE présentent souvent des anomalies du développement cérébral ainsi que des anomalies comportementales. Ces anomalies cérébrales et comportementales montrent des symptômes tels que la microcéphalie, des retards intellectuels ainsi que des convulsions qui sont des symptômes communs avec le Trouble du Spectre Autistique (TSA), l’hyperactivité, le Trouble du Déficit de l’Attention avec/sans Hyperactivité (TDAH) ou les Troubles Obsessionnels Compulsifs (TOC). Cependant, le rôle du gène chd7 dans le développement du cerveau est encore peu connu et plus particulièrement son rôle dans la pathogénèse de CHARGE. Lors de mon doctorat, j’ai caractérisé le rôle de chd7 dans le développement cérébral à l’aide d’un modèle de poisson zèbre knock-out pour le chd7. Notre poisson zèbre mutant chd7 recapitule les caractéristiques présentées chez les patients CHARGE ainsi qu’un comportement hyperactif. Nous avons montré que ce phénotype hyperactif chez les mutants chd7 est dû à un défaut développemental et fonctionnel du réseau GABA. Une analyse transcriptomique non-biaisée des cerveaux mutants chd7 a permis d’identifier un gène -paqr3b comme étant parmi les gènes les plus fortement régulés négativement. Cette régulation négative de paqr3b contribue au défaut du réseau GABA et à l'hyperactivité via la voie de signalisation ERK/MEK. Paqr3b est une cible directe de remodelage de la chromatine par chd7 et la régulation négative de son expression a été validée dans une lignée cellulaire de lymphoblastoïde humaine mutante pour CHD7. Nous suggérons également que paqr3b joue un rôle dans le développement précoce du cerveau en affectant la différenciation des cellules souches neuronales puisqu’un nombre réduit de cellules positives pour Sox2 a été détecté dans le cerveau de nos mutants. Cela contribuerait donc au défaut du réseau GABA observé. Enfin, en utilisant des modèles de poissons zèbres et de nématode, c. elegans, mutants chd7 dans un criblage de molécules à haut débit, nous avons identifié une molécule neuroprotectrice, l’éphédrine, qui permet un sauvetage phénotypique partiel de l'hyperactivité et des défauts du réseau GABA via l'axe régulateur ERK/MEK. Cette étude a ajouté une connaissance cruciale des mécanismes impliqués dans les défauts du développement cérébral observés dans le syndrome CHARGE. Ces mécanismes pourraient être extrapolés efficacement à d'autres troubles neurodéveloppementaux qui ont une étiologie ou des symptômes communs avec le syndrome CHARGE.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Patten, Shunmoogum A.
Mots-clés libres:	chd7; brain; GABAergic neurons; zebrafish; neurogenesis; cerveau; neurones GABAergiques; poissons zèbres; neurogénèse
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	02 juill. 2024 14:04
Dernière modification:	02 juill. 2024 14:04
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15739

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