Molecular characterization of disease-causing TUBB4A mutations reflecting the phenotypic spectrum

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2025-01-13

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Zusammenfassung

While the broad phenotypic spectra or even pleiotropy caused by pathogenic variants in the same gene remains a poorly understood enigma, they are of great translational importance for a better understanding of potential differential mechanisms on the one hand, and for more individualized patient counseling on the other. In this thesis, TUBB4A mutations with a clinical spectrum ranging from dystonia (DYT-TUBB4A) to hypomyelination with atrophy of the basal ganglia and cerebellum (H-ABC) were functionally characterized. Whether this broad spectrum represents a phenotypic continuum or a pleiotropic pattern is controversial. While the former would imply that a common pathway is impaired to varying degrees, the latter could imply that different cellular functions are impaired to varying degrees. Another unresolved question is how different TUBB4A mutations affect the dynamic properties of microtubules in affected cells such as oligodendrocytes. To this end, mutations representative of the phenotype were examined for their specific effects at the molecular and cellular levels. For this thesis, an advanced cell lysate method was established that allows detailed characterization of microtubule dynamics, combining the advantages of live-cell imaging and TIRF microscopy - without the need to isolate tubulin beforehand. In addition, in silico simulations were performed to determine the influence of TUBB4A mutations on heterodimer conformations, which has not been done before for this tubulin isoform. Furthermore, a CRISPR/Cas9-generated heterozygous TUBB4A knockout iPSC line was established. The derived neurons showed severe impairment of mitochondrial motility, providing an ideal positive control to compare TUBB4A mutations regarding intracellular trafficking. The major finding of this thesis is the demonstration of a differential effect of TUBB4A mutations (H-ABC vs. DYT-TUBB4A) on microtubule growth, possibly indicating a pleiotropic manifestation. The comprehensive combination of in vitro and in silico approaches enabled to obtain a holistic picture of the potential effects of TUBB4A mutations and provided mechanistic insights into their differential phenotypic expression. In particular, the thesis reveals that: 1) The analyzed TUBB4A variants exert distinct effects on microtubule dynamics. Importantly, the H-ABC-associated TUBB4A variants (p.R2W and p.D249N) severely disrupt microtubule polymerization compared to variants causing the milder dystonic phenotype. 2) Mutants are less likely to adopt a straight conformation in silico. Instead, the bent conformation appears to be sterically favored in H-ABC mutants, consistent with the impaired microtubule polymerization of these mutants. 3) Anti-morphic variants per se do not prevent the morphological maturation of oligodendrocytes. Instead, these mutations may disrupt mitosis during the proliferation of oligodendrocyte progenitors, most likely leading to hypomyelination in H-ABC patients in infancy. Therefore, altered microtubule growth appears to be differentially affected by TUBB4A mutations, which may interfere with various cellular functions, suggesting a pleiotropic spectrum rather than a phenotypic continuum in TUBB4A-related diseases. The work was mainly performed at the University of Lübeck at the Institute of Neurogenetics (laboratory of Prof. Christine Klein, supervised by Dr. Aleksander Rakovic). For specific methods, collaborations were established at the University of Lübeck with the Institute of Cardiogenetics (laboratory of Prof. Jeanette Erdmann, supervised by Dr. Stephanie Tennstedt), the Institute of Experimental and Clinical Pharmacology and Toxicology (laboratory of Prof. Markus Schwaninger, supervised by Dr. Helge Müller-Fielitz) and the Institut Curie, Université PSL, CNRS UMR3348, Orsay, France (laboratory of Dr. Carsten Janke "Control of microtubule dynamics and function with the tubulin code").

Beschreibung

Wie pathogene Varianten desselben Gens von einem breiten phänotypischen Spektrum bis hin zur Pleiotropie führen können, ist bisher ein Rätsel. Die Aufklärung dieses Rätsels ist von großer translationaler Relevanz, die für ein besseres Verständnis möglicher differentieller Mechanismen sowie für eine individuellere Patientenberatung sorgen könnte. In dieser Studie wurden TUBB4A-Mutationen charakterisiert, die das klinische Spektrum von Dystonie (DYT-TUBB4A) bis zur Hypomyelinisierung mit Atrophie der Basalganglien und des Kleinhirns (H-ABC) abdecken. Ob dieses breite Spektrum ein phänotypisches Kontinuum oder eher ein pleiotropes Muster darstellt, ist umstritten. Während ersteres bedeuten würde, dass ein gemeinsamer Signalweg in unterschiedlichem Ausmaß betroffen ist, könnte letzteres bedeuten, dass verschiedene zelluläre Funktionen in unterschiedlichem Ausmaß betroffen sind. Eine weitere ungeklärte Frage ist, wie verschiedene TUBB4A-Mutationen die dynamischen Eigenschaften der Mikrotubuli in betroffenen Zellen wie Oligodendrozyten beeinflussen. Dazu wurden für den jeweiligen Phänotyp repräsentative Mutationen auf ihre spezifischen Effekte auf molekularer und zellulärer Ebene untersucht. Für diese Studie wurde eine neue Zelllysat-Methode etabliert, die eine detaillierte Charakterisierung der Mikrotubuli-Dynamik ermöglicht, indem sie die Vorteile von Live-Cell-Imaging und TIRF-Mikroskopie kombiniert - ohne die Notwendigkeit, Tubulin und Mikrotubuli-assoziierte Proteine vorher zu isolieren. Darüber hinaus wurden in silico-Simulationen durchgeführt, um den Einfluss von TUBB4A-Mutationen auf die Heterodimer-Konformationen zu bestimmen, was für diese Tubulin-Isoform bisher noch nicht geschehen ist. Zusätzlich wurde eine CRISPR/Cas9-generierte heterozygote TUBB4A Knockout iPSC Linie etabliert. Die daraus abgeleiteten Neuronen zeigten eine stark reduzierte mitochondriale Motilität, was eine ideale Positivkontrolle für den Vergleich von TUBB4A Mutationen in Bezug auf den intrazellulären Transport darstellt. Das wichtigste Ergebnis dieser Studie ist der Nachweis einer unterschiedlichen Wirkung von TUBB4A-Mutationen (H-ABC vs. DYT-TUBB4A) auf das Mikrotubuli-Wachstum, was möglicherweise auf eine pleiotrope Manifestation hinweist. Die umfassende Kombination von in vitro- und in silico-Ansätzen ermöglichte es, ein ganzheitliches Bild der Wirkmechanismen von TUBB4A-Mutationen zu erhalten und lieferte mechanistische Einblicke in deren unterschiedliche phänotypische Ausprägung. Insbesondere zeigt diese Arbeit, dass: 1) die analysierten TUBB4A-Varianten unterschiedliche Auswirkungen auf die Mikrotubuli-Dynamik besitzen. Diesbezüglich zeigten die H-ABC-assoziierten TUBB4A-Varianten (p.R2W und p.D249N) eine erheblich stärkere Beeinträchtigung der Mikrotubuli-Polymerisation im Vergleich zu den Varianten, die den milderen dystonen Phänotyp verursachen. 2) α/β-Tubulin-Heterodimere in silico weniger wahrscheinlich eine gerade Konformation annehmen, wenn sie eine Mutation auf der Intradimerseite aufweisen. Stattdessen scheint die gekrümmte Konformation in H-ABC-Mutanten sterisch begünstigt zu sein, was mit der gestörten Mikrotubuli-Polymerisation dieser Mutanten übereinstimmt. 3) antimorphe Varianten per se die morphologische Reifung von Oligodendrozyten nicht verhindern. Stattdessen könnten diese Mutationen die Mitose während der Proliferation von Oligodendrozyten-Vorläufern stören, was höchstwahrscheinlich zu einer Hypomyelinisierung bei H-ABC-Patienten im Säuglingsalter führt. Zusammenfassend scheint die Mikrotubuli-Dynamik je nach TUBB4A-Mutation differenziell beeinflusst zu sein. Dies würde darauf hindeuten, dass verschiedene zelluläre Funktionen beeinträchtigt sein könnten, was eher auf ein pleiotropes Spektrum als auf ein phänotypisches Kontinuum bei TUBB4A-assoziierten Krankheiten hindeutet. Die Arbeiten wurden hauptsächlich an der Universität zu Lübeck am Institut für Neurogenetik (Labor von Prof. Christine Klein, betreut von Dr. Aleksander Rakovic) durchgeführt. Für spezifische Methoden wurden an der Universität zu Lübeck Kooperationen mit dem Institut für Kardiogenetik (Labor von Prof. Jeanette Erdmann, betreut von Dr. Stephanie Tennstedt), dem Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie (Labor von Prof. Markus Schwaninger, betreut von Dr. Helge Müller-Fielitz) sowie dem Institut Curie, Université PSL, CNRS UMR3348, Orsay, Frankreich (Arbeitsgruppe "Controlling Microtubule Dynamics and Function with the Tubulin Code" von Dr. Carsten Janke) etabliert.

Schlagwörter

Microtubules, iPSC, Molecular dynamics, TIRF, Live-cell imaging, Mitochondria, Neurons, Oligodendrocytes, H-ABC, Dystonia, TUBB4A, Tubulin

Zitierform

Institut/Klinik

Institut für Neurogenetik

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