Czynnik transkrypcyjny TCF7L2 w regulacji różnicowania postmitotycznego i utrzymaniu pobudliwości neuronów wzgórza u myszy

Streszczenie Wzgórze jest konserwowaną ewolucyjnie, występującą u wszystkich kręgowców częścią międzymózgowia. Jest przekaźnikiem informacji zmysłowej do kory oraz węzłem kluczowych obwodów mózgu, w których dochodzi do procesowania informacji zmysłowej, oraz w których podejmowane są decyzje behawioralne i inicjowany jest ruch. Zaburzenia w anatomii wzgórza i aktywności jego połączeń z korą mózgu wiązane są z chorobami neurorozwojowymi, takimi jak schizofrenia i zaburzenia ze spektrum autyzmu. Dla poznania podłoża tych zaburzeń kluczowe jest rozumienie mechanizmów kierujących postmitotycznym różnicowaniem i postnatalnym dojrzewaniem neuronów wzgórza. Realizacja programu rozwojowego regulowana jest na poziomie transkrypcyjnym, jednak w przypadku wzgórza zidentyfikowano tylko kilka specyficznych regulatorów postmitotycznej specyfikacji i morfogenezy jego neuronów w czasie rozwoju embrionalnego. W ogóle nie są też znane regulatory kierujące ich dojrzewaniem postnatalnym i wykształceniem ostatecznego fenotypu. Na podstawie dotychczasowych doniesień postawiłem hipotezę, że jednym z głównych specyficznych regulatorów rozwoju wzgórza w obu okresach jest czynnik transkrypcyjny TCF7L2. Celem mojej pracy doktorskiej było zbadanie wpływu TCF7L2 na tożsamość molekularną wzgórza oraz rozwój aksonów i wzorów odpowiedzi elektrofizjologicznej neuronów wzgórzowych. W badaniach wykorzystałem dwa szczepy myszy: szczep z całkowitym nokautem genu Tcf7l2 – aby zbadać wpływ TCF7L2 na rozwój wzgórza w okresie zarodkowym, oraz szczep z nokautem Tcf7l2 indukowanym specyficznie we wzgórzu w okresie okołoporodowym – aby zbadać rolę TCF7L2 w rozwoju ostatecznego fenotypu jego neuronów. Pokazałem, że w okresie embrionalnym TCF7L2 jest niezbędny do wykształcenia prawidłowej anatomii regionu wzgórzowego, tożsamości molekularnej podregionów wzgórza, segregacji komórek na granicy między wzgórzem a otaczającymi strukturami, oraz wzrostu wzgórzowo-korowych połączeń nerwowych. Odkryłem następnie, że postnatalnie TCF7L2 wpływa na ukształtowanie się charakterystycznych cech fenotypowych neuronów wzgórzowych, do których należą próg wyzwalania potencjałów czynnościowych i cechy wyładowań iglic. Przeprowadzone przeze mnie badania pokazały, że TCF7L2 pełni przynajmniej trzy funkcje na różnych etapach rozwoju wzgórza. Jest regulatorem dywersyfikacji molekularnej i morfogenezy neuronów oraz selektorem ich cech końcowych.

The thalamus is an evolutionarily conserved part of the midbrain found in all vertebrates. It transmits nearly all the sensory input to the cortex and is a node of key brain circuits where sensory information is processed, behavioural decisions are made, and movement is initiated. Abnormalities in the anatomy of the thalamus and the functional activity of its neural connections with the cerebral cortex are associated with neurodevelopmental diseases, such as schizophrenia and autism spectrum disorders. To understand the basis of these disorders, it is crucial to understand the mechanisms that guide postmitotic differentiation and postnatal maturation of thalamic neurons. The execution of the developmental program is regulated at the transcriptional level, but in the case of the thalamus only a few specific regulators of postmitotic specification and morphogenesis of its neurons during embryonic development have been identified. Also, the regulators which guide their postnatal maturation and formation of the adult phenotype are not known at all. Based on previous reports, I hypothesized that one of the major specific regulators of thalamic development during both periods is the transcription factor TCF7L2. The aim of my PhD project was to investigate the role of TCF7L2 in the establishment of the molecular identity of the thalamus and the development of axonal connections and electrophysiological response patterns of thalamic neurons. To this end, I used two mouse strains. A strain with a complete knockout of the Tcf7l2 gene - to investigate the role of TCF7L2 in the thalamic development during the embryonic period, and a strain with a conditional Tcf7l2 knockout induced specifically in the thalamus during the perinatal period - to investigate the role of TCF7L2 in the development of the adult phenotype of its neurons. I showed that during the embryonic period, TCF7L2 is essential for the development of the normal anatomy of the thalamic region, establishment of the molecular identity of thalamic subregions, proper segregation of cells at the boundary between the thalamus and surrounding structures, and the growth of thalamocortical neural connections. I further discovered that postnatally TCF7L2 is responsible for the establishment of the characteristic electrophysiological features of thalamic neurons, which include the threshold for triggering action potentials and their spiking characteristics. My studies have shown that TCF7L2 plays at least three roles at different stages of thalamic development. It is a regulator of molecular diversification and morphogenesis of thalamic neurons and a selector of their terminal features.