Role of kinase DYRK1A in the neurogenesis of the embryonic telencephalon

Abstract

[eng] DYRK1A is a kinase that is expressed in virtually all tissues and cell types and is implicated in human diseases. Several studies indicate that DYRK1A is a dose-dependent gene with a prevalent function in brain development by regulating neurogenesis, neuronal differentiation and physiological apoptosis. DYRK1A is on chromosome 21 and its trisomy contributes to some of the neurodevelopmental defects in Down syndrome. Furthermore, de novo mutations in DYRK1A in heterozygosity cause DYRK1A syndrome, a syndromic form of intellectual disability and autism that presents, among other neurological features, developmental delay, microcephaly, motor and speech problems, and early-onset epilepsy. With the aim of providing evidence on the functions regulated by DYRK1A in early brain development, we have generated a conditional mouse mutant with a mutation in the Dyrk1a gene in neural progenitors. The conditional null mutant (NesCre:Dyrk1a-KO) dies in perinatal stages, presenting at the end of embryonic development a severe reduction in brain size, complete loss of ventral structures such as the striatum and morphological alterations in the neocortex. The loss of brain parenchyma in this mutant is caused by an increase in apoptosis that affects progenitors and postmitotic cells. In the progenitors, the cell death is due to defects in DNA replication and/or repair and is dependent on p53. At the beginning of neurogenesis, the cortical radial glia of NesCre:Dyrk1a-KO mutants present an elongation of the S phase of the cell cycle and alterations in the morphology of the nucleus that correlate with less differentiation. At the end of neurogenesis, NesCre:Dyrk1a-KO mutants show an early depletion of cortical progenitors caused by an increase in differentiating symmetric divisions. The conditional mutant with the Dyrk1a mutation in heterozygosity (NesCre:Dyrk1a-HET) reaches adulthood, presenting at the end of embryonic development a reduction in the size of the telencephalic vesicles, the striatum, and other ventral structures. These results show that DYRK1A is an essential kinase for the proliferation and differentiation of embryonic brain stem cells and suggests that alterations in cortical circuits involving the striatum may contribute to the neurological deficits in patients with DYRK1A syndrome. In order to eliminate DYRK1A specifically in dorsal brain progenitors we generated the tamoxifen-induced mouse mutant Sox2CreERT2:Dyrk1a. The experiments carried out in this conditional mutant have not revealed alterations in the morphology or cellularity of the dorsal telencephalon of tamoxifen-treated Sox2CreERT2:Dyrk1aFl/Fl embryos, probably because the mutation is in mosaicism, or because the depletion of DYRK1A in the progenitors that express Cre-recombinase is not complete and/or occurs after the critical period for DYRK1A in cortical neurogenesis.

[spa] DYRK1A es una quinasa que se expresa prácticamente en todos los tejidos y tipos celulares y está implicada en enfermedades humanas. Diversos estudios indican que DYRK1A es un gen dosis dependiente con una función prevalente en el desarrollo del cerebro regulando neurogénesis, diferenciación neuronal y apoptosis fisiológica. DYRK1A está en el cromosoma 21 y su trisomía contribuye a algunos de los defectos del neurodesarrollo en el síndrome de Down. Además, mutaciones de novo en DYRK1A en heterocigosis causan el síndrome de DYRK1A, una forma sindrómica de discapacidad intelectual y autismo que presenta, entre otras características neurológicas, retraso del desarrollo, microcefalia, problemas motores y del habla y epilepsia de inicio temprano. Con el objetivo de aportar evidencias sobre las funciones reguladas por DYRK1A en el desarrollo cerebral temprano hemos generado un mutante de ratón con una mutación nula en el gen Dyrk1a en progenitores neurales. El mutante nulo condicional NesCre Dyrk1a KO) muere en estadios perinatales presentando al final del desarrollo embrionario una severa reducción del tamaño del cerebro, pérdida completa de estructuras ventrales como el estriado y alteraciones morfológicas en el neocórtex . La pérdida de parénquima cerebral en es te mutante está causada por un aumento de la apoptosis que afecta a progenitores y a células postmitóticas. En los progenitores, la muerte es debida a defectos en la replicación y/o reparación del DNA y es dependiente de p53. Al inicio de la neurogénesis, la glía radial cortical de los mutantes NesCre Dyrk1a KO presenta un alargamiento de la fase S del ciclo celular y alteraciones en la morfología del núcleo que correlacionan con una menor diferenciación. Al final de la neurogénesis, los mutantes NesCre Dyrk1a KO muestran una depleción adelantada de progenitores corticales causada por un aumento de divisiones simétricas diferenciadoras. El mutante condicional con la mutación Dyrk1a en heterocigosis NesCre Dyrk1a HET) alcanza la edad adulta, presentando al final del desarrollo embrionario una reducción en el tamaño de las vesículas telencefálicas del estriado y otras estructuras ventrales. Estos resultados muestra n que DYRK1A es una quinasa esencial para la proliferación y diferenciación de las células madre cerebrales embrionarias y sugieren que alteraciones en circuitos corticales que impliquen el estriado pueden contribuir a los déficits neurológicos en pacientes con síndrome DYRK1A. Para eliminar DYRK1A específicamente en los progenitores del telencéfalo dorsal, generamos el mutante de ratón inducido por tamoxifeno Sox2CreERT2 Dyrk1a Los experimentos realizados en este mutante condicional no han revelado alteraciones en la morfología o celularidad del telencéfalo dorsal de embriones Sox2CreERT2 Dyrk1a Fl/Fl tratados con tamoxifeno , probablemente porque la mutación está en mosaicismo , o debido a que la depleción de DYRK1A en la depleción de DYRK1A en los progenitores que expresan Crelos progenitores que expresan Cre-recombinasa recombinasa no es no es completa y/o ocurre después del periodo crítico para DYRK1A completa y/o ocurre después del periodo crítico para DYRK1A en la neurogénesis cortical en la neurogénesis cortical