Uncovering mechanisms of CHD2-associated epilepsy using human cortical organoids

利用人类皮质类器官揭示 CHD2 相关癫痫的机制

基本信息

  • 批准号:
    10791545
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 41.25万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-15 至 2025-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY/ABSTRACT Mutations in CHD2 gene are associated with developmental and epileptic encephalopathy (DEE), a severe form of childhood epilepsy. CHD2 belongs to the chromodomain helicase DNA binding (CHD) family of ATP dependent chromatin remodelers known to play a critical role in neurodevelopment via chromatin organization and gene regulation; and is the only one among 9 other CHD (CHD1-CHD9) family proteins that causes a brain restricted phenotype suggesting its non-redundant role in neurodevelopmental disorders. Studies in mice have shown that knockdown of CHD2 in embryonic cortex decreases the amplification of radial glial cells (RGCs) and promotes the generation of intermediate progenitor cells (IPs). Moreover, Chd2+/- mice, the only known heterozygous mouse line to date to mimic CHD2 haploinsufficiency in human, exhibits reduced number of GABAergic interneurons, disrupts cell proliferation in the developing forebrain and displays a shift in neuronal excitability. Additionally, a study using 2D culture of medial ganglionic eminence (MGE) like progenitors and cortical interneurons derived from human embryonic stem cells (hESCs) has shown that CHD2 deficiency impairs interneuron development and alters its functions. Though these studies have been critical towards our fundamental understanding of the role of CHD2 in neurodevelopment, neither mice nor 2D neuronal cultures represent the full breadth of human brain development and leave a critical gap in knowledge about the human specific cellular and molecular mechanisms associated with CHD2 mutation. To fill this gap, we propose to use patient derived induced pluripotent stem cells (iPSCs) differentiated into human cortical organoids (hCO). hCO closely mimic the development of human forebrain and is an innovative model system to study patient specific cellular and molecular mechanisms underlying a disease-causing mutation. Based on our preliminary data using single cell RNA sequencing (scRNA-seq) in hCO, we hypothesize that CHD2 mutation leads to defects in cortical progenitor proliferation and differentiation during neurodevelopment contributing to altered cortical circuitry and epilepsy. To test our hypothesis, we will 1) determine the cellular impact of CHD2 mutation in cortical development and epilepsy using immunohistochemistry (Aim 1) and 2) delineate the molecular mechanisms of CHD2 mutation in neurodevelopment and epilepsy by performing multiome analysis (scRNA-seq + scATAC-seq) (Aim 2). The proposed study will not only increase our understanding of the childhood epilepsy and related neurodevelopmental disorders but also provide greater insight into novel in vitro cortical organoid models to study a number of pathogenic variants. To our knowledge, this is the first time that patient derived iPSCs differentiated into cortical organoids have been proposed to study CHD2 mutation in humans, and in our model system, we will be able to identify previously unknown cellular and molecular mechanisms underlying CHD2 associated epilepsy paving the way for development of better therapeutic intervention strategies.
项目摘要/摘要 CHD2基因中的突变与发育和癫痫性脑病(DEE)有关,一种严重的形式 儿童癫痫。 CHD2属于ATP的染色体构酶DNA结合(CHD)家族 依赖性染色质重塑剂已知通过染色质组织在神经发育中起关键作用 和基因调节;并且是导致大脑的其他9个CHD(CHD1-CHD9)家族蛋白中唯一的一家 受限制的表型表明其在神经发育障碍中的非冗余作用。在小鼠中的研究 表明胚胎皮质中CHD2的敲低会减少径向神经胶质细胞(RGC)和 促进中间祖细胞(IP)的产生。此外,CHD2 +/-小鼠,唯一已知的 迄今为止,人类的杂合小鼠系在人类中模仿chd2单倍不足,表现出减少的数量 GABA能中间神经元,破坏发育中的前脑中的细胞增殖,并显示神经元的变化 兴奋性。此外,一项研究使用2D培养的神经节隆起(MGE)等研究,例如祖细胞和 源自人类胚胎干细胞(HESC)的皮质间神经元表明CHD2缺乏症 损害中间神经元的发展并改变其功能。尽管这些研究对我们至关重要 对CHD2在神经发育中的作用的基本理解,既不是小鼠也不是2D神经元文化 代表人类脑发育的全部广度,并在对人类的知识中留下巨大的差距 与CHD2突变相关的特定细胞和分子机制。为了填补这个空白,我们建议使用 患者衍生的诱导多能干细胞(IPSC)分化为人皮质器官(HCO)。 HCO 紧密模仿人类前脑的发展,是研究患者特定的创新模型系统 引起疾病突变的基础的细胞和分子机制。根据我们的初步数据使用 单细胞RNA测序(SCRNA-SEQ)在HCO中,我们假设CHD2突变导致缺陷 神经发育过程中的皮质祖细胞增殖和分化有助于改变 皮质回路和癫痫。为了检验我们的假设,我们将确定CHD2的细胞影响 使用免疫组织化学(AIM 1)和2)描述皮质发育和癫痫的突变 神经发育和癫痫中CHD2突变的分子机制通过进行多组分分析 (SCRNA-SEQ + SCATAC-SEQ)(AIM 2)。拟议的研究不仅会增加我们对 儿童癫痫和相关的神经发育障碍,但也为新颖的体外提供了更深入的洞察力 皮质器官模型研究许多致病性变体。据我们所知,这是第一次 已提出了衍生成皮质器官的患者IPSC,以研究中的CHD2突变 人类,在我们的模型系统中,我们将能够识别以前未知的细胞和分子 CHD2与癫痫相关的机制为开发更好的治疗铺平了道路 干预策略。

项目成果

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