Unveiling the specific and redundant roles of TCF7L2 transcription factor isoforms in thalamic development in the mouse embryo

Wzgórze jest złożonym węzłem komunikacji neuronalnej w mózgu, który odbiera, przetwarza i przekazuje sygnały sensoryczne do kory mózgowej oraz reguluje reakcje behawioralne. Jego rozwój jest kontrolowany przez regionalny czynnik transkrypcyjny TCF7L2, który regyuluje tożsamość molekularną komórek, naprowadzanie aksonów i rozwój właściwości elektrofizjologicznych. W mózgu występują dwie izoformy TCF7L2, izoforma pełnej długości (fl-TCF7L2) i krótka (sh-TCF7L2), będące produktami ekspresji z alternatywnych promotorów. Izoformy różnią się wystąpieniem domeny wiążącej kofaktor transkrypcyjny β-kateninę. W klasycznym ujęciu izoforma pełnej długości jest efektorem szlaku sygnałowego Wnt/β-katenina, podczas gdy izoforma krótka działa jako inhibitor kompetycyjny. Udział każdej z izoform w regulacji rozwoju wzgórza przez TCF7L2 pozostaje enigmatyczny. Immunodetekcja wykazała, że obie izoformy występują we wzgórzu podczas rozwoju, ale poziom izoformy krótkiej drastycznie zmniejsza się po urodzeniu. Dlatego też niniejsze badanie miało na celu zbadanie roli poszczególnych izoform TCF7L2 w zarodkowym rozwoju neuronów wzgórzowych. Aby odpowiedzieć na pytanie, czy izoformy TCF7L2 odgrywają różne, pokrywające się lub kontrastujące role podczas rozwoju wzgórza, po weryfikacji wykorzystano trzy modele badawcze: myszy z całkowitym nokautem (t-TCF7L2 KO) lub nokautem specyficznym dla tylko jednej izoformy. Analiza RNA-seq wykazała mniej dramatyczne zmiany w profilu transkryptomicznym zarodkowego wzgórza wywołane przez nokaut jednej izoformy (fl-TCF7L2 lub sh-TCF7L2) w porównaniu z całkowitym nokautem. Analiza korelacji ekspresji genów różnicowych pomiędzy modelami ujawniła wysoką redundancję izoform. Dostarczyła również dowodów na potencjalnie specyficzne funkcje izoform w regulacji podgrupy genów decelowych, szczególnie dla fl-TCF7L2. Pokrywanie się aktywności izoform wskazało, że ich aktywność jest niezależna od szlaku Wnt/β-katenina podczas rozwoju zarodkowego, na co wskazywał również brak β-kateniny w jądrze komórkowym neuronów wzgórza na tym etapie. Następnie zbadano fenotypy związane z rozwojem wzgórza u zarodków z nokautem t-TCF7L2 lub fl-TCF7L2. Nokaut fl-TCF7L2 KO prowadził do zauważalnych zmian we wzroście aksonów wzgórzowo-korowych, badanym za pomocą immunofluorescencji i śledzenia aksonów DiI. Fenotyp ten był jednak zdecydowanie mniej nasilony niż u myszy z nokautem t-TCF7L2, co sugeruje że izoformy TCF7L2 uzupełniają się w regulacji tego procesu. Mieszanie się komórek o różnej tożsamości molekularnej na przedniej granicy wzgórza było podobne w obu modelach, a malformacje uzdeczek na grzbietowej granicy nie wystąpiły w modelu z nokautem fl-TCF7L2. To z kolei wskazuje na dominującą rolę jednej izoformy nad drugą w rozwoju granic podregionów międzymózgowia. Przeprowadzone badania pogłębiają zrozumienie mechanizmów rozwoju wzgórza poprzez odkrycie, w jak izoformy TCF7L2 regulują różnicowanie neuronów w tej strukturze w okresie zarodkowym.

The thalamus is a complex neural communication hub in the brain that receives, processes, and relays sensory signals to the cortex and regulates behavioural responses. Its development is controlled by a regional transcription factor, TCF7L2, that coordinates molecular identities, guidance of axons, and the establishment of electrophysiological features. A full-length (fl-TCF7L2) and short (sh-TCF7L2) isoform exist in the brain formed by alternative promoter usage. They differ by the presence of a β-catenin binding domain in the fl-TCF7L2. In a classical view, the full-length isoform is an effector in Wnt/β-catenin signalling, whereas the short isoform acts as a competitive inhibitor. The individual contributions of the isoforms to the functions of TCF7L2 during thalamic development are enigmatic. Hence, this study was aimed at investigating the isoform-specific roles of TCF7L2 in the embryonic development of thalamic neurons. Immunodetection revealed that both isoforms are abundant in the thalamus throughout embryonic development, but the short isoform declines postnatally. To address the questions of whether the two isoforms play distinct, redundant or contrasting roles during thalamic development, three mouse models were validated and used: mice with total (t-TCF7L2) or isoform-specific knockouts of fl- and sh-TCF7L2. RNA-seq analysis showed less dramatic alteration in the transcriptomic profile of the embryonic thalamus produced by individual isoform knockout compared to the total knockout. Correlation analysis of the differentially expressed genes across the models revealed a high redundancy of the isoforms. It also suggested potential isoform-specific roles, particularly for the fl-TCF7L2. The redundancy indicated that the activities of both isoforms are independent of Wnt/β-catenin signalling during embryonic development, supported by the absence of β-catenin in the nucleus of thalamic cells. Next, thalamic development-related phenotypes were analysed in the t-TCF7L2 and fl-TCF7L2 knockout embryos. While the fl-TCF7L2 KO led to a noticeable alteration in thalamocortical axons’ growth, examined by immunofluorescence and DiI axon tracing, the phenotype was less severe than in the t-TCF7L2 knockout mice, suggesting a requirement for both the fl-TCF7L2 and sh-TCF7L2 in axon growth/guidance. Conversely, fl-TCF7L2 and t-TCF7L2 knockouts showed similar intermingling of cells of different molecular identities at the rostral thalamic boundary, whereas only the t-TCF7L2 knockout produced malformation of the habenula at the ventral thalamic boundary. This indicated a predominant role of one isoform over the other in diencephalic subregional development. This study enhances the current understanding of thalamic development by revealing how TCF7L2 isoforms regulate the differentiation of thalamic neurons.