Studien zur Funktion des Genomorganisator Satb2 im adulten ZNS

Satb2 ist ein Regulator der Transkription, welcher an AT-reiche DNA Sequenzen multipler genetischer Loci bindet, so die Architektur des Chromatin verändert und Chromatin-modellierende Komplexe über lange Distanzen hinweg beeinflusst. Im Menschen bewirkt SATB2 Haploinsufficienz schwere Lernstörungen sowie ausgeprägte mentale Retardierung, was bisher durch Defekte in der Ausbildung kortiko-kortikaler Verbindungen während der Entwicklung erklärt wird. Basierend auf unserer Beobachtung, dass SatB2 im PNS Plastizität in der Neurotransmitter-Differenzierung bewirkt, in Verbindung mit unseren präliminären Daten, die zeigen, dass neuronale Aktivität/BDNF Satb2 Expression regulieren, postulieren wir eine neuartige Funktion von Satb2 in Langzeit-Plastizität im adulten ZNS. Wir stellen die Hypothese vor, dass Satb2 in postmitotischen Neuronen als Regulator Aktivitäts-getriebener adaptiver Gentranskription Verwendung findet. Dieser Prozess ist die Basis der Konsolidierung und Stabilisierung kognitiven Verhaltensgedächtnisses. Daraus ergibt sich nun ein neues Konzept über die Funktion von Satb2 im maturen ZNS sowie eine alternative Erklärung für die bei SATB2 Haploinsuffiziens beobachteten kognitiven Defizienzen. Um die Rolle von Satb2 in höheren Funktionen des maturen Gehirns zu studieren, werden wir ein konditionales Knockout Model einsetzen. Der komplette Satb2 knockout ist perinatal letal. Mäuse mit einem "gefloxten" Satb2 Allel, welche wir selbst generiert haben, werden mit spezifischen Cre-Deletern gekreuzt, um Satb2 konditional in exzitatorischen Neuronen des Vorderhirns zu deletieren. Um unsere Hypothese zu untermauern, soll dann der Effekt von Satb2 Verlust auf hippokampale synaptische Plastizität, Lernen und Gedächtnis, exzitatorische Synaptogenese, Morphologie von Dendriten sowie Spine-Dichte, als Indikatoren struktureller synaptischer Plastizität, untersucht werden. Mit Hilfe bioinformatischer Ansätze wie Transkriptomprofilen und "Deep Sequencing" zur Analyse von in vivo Satb2-Bindungsstellen werden weiterhin die spezifischen genetische Programme "downstream" von Satb2 indentifiziert. In ihrer Summe werden die vorgeschlagenen Experiments dazu beitragen, die Funktion of Satb2 im adulten ZNS - die bisher völlig unerforscht geblieben ist - auf molekularem, zellulärem, synaptischem und organismischem Niveau aufzuklären. Als Ergebnis unseres Projektes erwarten wir uns neue Einsichten in die generelle Funktion von Regulatoren der Chromatinstruktur wie Satb2 als Koordinatoren von Aktivitäts-abhängigen Veränderungen der Transkription sowie langfristiger Veränderungen in der Verschaltung von ZNS Neuronen.

Special AT-rich sequence binding protein 2 (Satb2) ist ein epigenetischer Regulator, der an DNA bindet und dort Chromatin-modifizierende Komplexe verankert. Das Protein besitzt weiterhin das Potenzial, die 3D-Chromatin Architektur durch die Ausbildung von DNA Schlaufen zu verändern. Patienten mit Satb2 Haploinsuffizienz leiden unter kognitiven Defiziten und ein humanes SATB2 Allele wurde vor kurzem als Risikogen für Schizophrenie identifiziert. Die genauen systemischen und molekularen Funktionen von Satb2 im adulten ZNS sind bisher unbekannt. Mit Hilfe eines neuen konditionalen Gen-knockout Models und einer Reihe von Verhaltensexperimenten sowie electrophysiologischen und molecularen Analysen, konnten wir eine wichtige Funktion von Satb2 als Determinante kognitiver Prozesse im ausgereiften Gehirn belegen. Wir fanden, dass der Verlust von Satb2 im adulten Vorderhirn von Mäusen Defizite im lang-zeit Furchtgedächtnis sowie im Objektunterscheidungsgedächtnis bewirkt. Konsistent mit diesen Verhaltensdefekten wurden ebenfalls Defizite in der lang-zeit Potenzierung an CA3-CA1 Schaffer-Kollateralen Synapsen, einem molekularen Korrelat von Gedächtnisbildung, in akuten hippokampalen Schnitten von konditionalen Mutanten gemessen. Weiterhin beobachteten wir, dass Satb2 durch synaptische Activität und BDNF heraufreguliert wird. Satb2 selbst bindet an Promotoren kodierender und nicht-kodierender Gene. Satb2 kontrolliert die Expression einer großen Kohorte von miRNAs im adulten Hippokampus, von denen wiederum viele synaptische Plastizität und Gedächtnisbildung beeinflussen. Diese Resultate etablieren Satb2 als eine unvorhergesehene nukleäre Komponente der Regulation der Proteinsynthese in Neuronen. Aktivitäts-abhängige Proteinsynthese ist für Lernen und Gedächtnis essentiell und eine Störung dieser Mechanismen stellt einen wichtigen Patho-Mechanismus für eine Reihe von Psychiatrischen Erkrankungen dar. Unsere Studie trägt daher wahrscheinlich zum besseren Verständnis pathophysiologischer Mechanismen des so genannten SATB2-assoziierten Syndroms sowie anderer neuropsychiatrischer Erkrankungen bei.