Part I: Trans-synaptic interaction of PTPRD is critical for synaptic developmentFormation of the synapse is arguably the most important event in brain development. Many pre- and post-synaptic proteins have been discovered and studied, but who’s who in the criticality of roles is as of yet unclear. Among the more renown candidates of synaptic formation are the axon-guidance LAR-RPTPs, of which PTPRD is a member. Here we study in depth the synaptic role of PTPRD, where we show that PTPRD is present in the excitatory presynapse and that deletion of PTPRD results in significant electrophysiological and structural impairments of PTPRD-rich brain regions such as the SLM of the hippocampus. These impairments are accompanied by major biochemical changes of, among others, IL1ApL1’s phosphorylation state in two novel residues. The synaptic changes seen in KO mice largely translate to severe disruptions in behavior, which clearly segregates into excitatory and inhibitory circuits as defined by EMX1-cre and Viaat-cre, but not CamKIIalpha-cre, conditional deletion. Of the many behavioral changes, whole KO and EMX1-cre KO mice both displayed increased activity during the first 6 hours of the inactive phase, and reduction of NREM sleep duration along with significant decrease in delta band power. These result, ranging from structural to behavioral, all suggest a criticality of PTPRD in the development of the synapse.
Part II: Sexually dimorphic behavior, neuronal activity, and gene expression in Chd8-mutant miceAutism spectrum disorders (ASDs) are four times more common in males than in females, but the underlying mechanisms are poorly understood. Here we report sexually dimorphic changes in mice carrying a heterozygous mutation in Chd8 ($Chd8^{+/N2373K}$) identified in human CHD8 (Asn2373LysfsX2), a strong ASD-risk gene encoding a chromatin remodeler. Notably, whereas male mutant mice display a range of abnormal behaviors during pup, juvenile, and adult stages, including enhanced mother-seeking ultrasonic vocalization, enhanced attachment to reunited mothers, and isolation-induced self-grooming, female counterparts do not. This behavioral divergence is associated with sexually dimorphic changes in neuronal activity, synaptic transmission, and transcriptomic pro-files. Specifically, female mice display suppressed baseline neuronal excitation, enhanced inhibitory synaptic transmission and neuronal firing, and increased expression of genes associated with extracellular vesicles and the extracellular matrix. These results suggest that a human CHD8 mutation leads to sexually dimorphic changes ranging from transcription to behavior in $Chd8^{+/N2373K}$ mice.
파트1. 시냅스 형성에서 PTPRD의 트랜스 상호작용의 기능. 시냅스 형성은 뇌 발달에 가장 중요한 부분이다. 많은 전시냅스와 후시냅스 단백질이 알려져 있으나, 어떠한 조합이 중요한 역할을 하는지는 아직 많이 안 알려져 있다. 시냅스 형성에 관여하는 많은 단백질 중에서 축색돌기 형성에서 역할을 하는 LAR-PTP family에 속하는 PTPRD라는 단백질이 있다. 본 연구에서 PTPRD의 시냅스 내 역할을 공부하였다. PTPRD가 흥분성 전시냅스에 존재하고 PTPRD의 결손은 전기생리학적 그리고 구조적 결손을 PTPRD가 많이 발현하는 뇌구조에서 유발했다. 이러한 손상은 IL1ApL1의 두개의 새로운phosphorylation site가 크게 변화한 것과 함께 일어난다. 관찰된 시냅스의 변화는 PTPRD 결손 쥐에서 심각한 행동학적 손상을 야기한다. 특히 억제성 신경세포가 아닌 흥분성 시냅스 세포에서 EMX-cre로 PTPRD를 결손했을 때, 행동학적 손상이 발견되었다. 많은 행동학적 변화 중에, 첫 수면 6시간동안 PTPRD 결손 쥐의 움직임이 증가한 것을 확인하였다. NREM 수면 감소와 delta band power 감소도 동반되었다. 이러한 결과는 시냅스 레벨부터 행동까지 PTPRD가 시냅스 형성에 중요한 역할을 하고 있음을 보여준다.
파트 2. CHD8 돌연변이 쥐의 성적 이분화 행동, 신경세포 활동과 유전자 발현자폐증은 남성에서 여성보다 네 배 이상 더 많이 발병되지만, 그 메커니즘은 아직 밝혀져 있지 않다. 본 연구에서 사람에서 발견된 CHD8 유전자 돌연변이 (Asn2373LysfsX2)를 가진 $CHD8^{+/N2373K}$ 쥐의 연구 결과를 보여주고 있다. CHD8은 chromatic remodeler로서 강한 자폐증 위험 유전자로 알려져 있다. 특히 수컷 쥐는 엄마 쥐를 찾는 초음파 증가와 분리로 유도되는 그루밍 증가가 새끼때부터 자라서도 보이는 반면, 암컷 쥐는 이와 같은 표현형을 보이지 않았다. 이러한 행동학적 차이는 신경세포 활동, 시냅스 신호 전달 그리고 transcriptomic 프로파일에서 보이는 성정 이분화적 변화와 연관되어 있다. 특히 암컷쥐는 억제된 신경세포 활동, 증가한 억제성 시냅스 신호전달과 세포 밖 vesicle과 matrix관련 유전자 발현의 증가를 보였다. 이러한 결과는 사람에서 발견된 CHD8 유전자 돌연변이는 성적 이분화 적인 변화를 $CHD8^{+/N2373K}$에서 유도한다는 것을 보여준다.
