The transcriptional co-activator and lysine acetyltransferase CBP in brain and tumor development

Abstract

The transcriptional co-activator and lysine acetyltransferase CBP is a ubiquitously expressed protein with multiple functions during development and in the adult. Mutations are the underlying cause of the congenital neurodevelopmental disorder Rubinstein-Taybi syndrome (RSTS). This is associated with different symptoms including an intellectual disability (ID). The molecular functions responsible for the ID were investigated in this study. We developed a cre-loxP driven mouse model which allowed a central nervous system specific deletion in cells from embryonic day 13.5 onwards. The resulting hGFAP-cre::CBP Fl/Fl mice were analyzed for their behavior and general brain morphology. We show that they display features of RSTS patients like microcephaly and behavioral abnormalities. Further analysis were focused on the brain and detected abnormalities in the main neurogenic zones: the hippocampus and the subventricular zone (SVZ). The basic architecture of the hippocampus is intact upon CBP deletion but the stem cell compartment is diminished. In the SVZ, we observed a large cell accumulation due to a migration deficit of neural precursor cells. We could recapitulate the migration deficit in vitro and provide evidence that it is mediated by IGF1 as an extracellular signaling molecule secreted by the olfactory bulb. The migration deficit was also visible in global gene expression analysis of cultured neural precursor cells. Thereby, we were the first to collect functional evidence that CBP is important in neural migration in the forebrain. Additionally, we analyzed the cell morphology of forebrain neurons of hGFAP-cre::CBP Fl/Fl mice and detected severe alterations. The analyzed pyramidal neurons have a diminished dendrite length as well as spine density upon CBP loss. The ultrastructure of the neurons revealed an additional reduction in synapse number. Together, these results might be the morphological correlate to the ID of RSTS patients. Apart from the role of CBP in brain development and homeostasis, it is described to have tumor-suppressive functions in different tumor entities. Additionally, a higher tumor risk for RSTS patients has been described. In order to understand this further, we developed a mouse model combining the deletion of Cbp with an amplification of the oncogenic driver N myc. The resulting hGFAP-cre::CBPFl/Fl lsl-MYCN mice developed tumors of the olfactory bulb and lesions in the hindbrain. We were able to cultivate tumor cells in vitro. Histological and gene expression analysis of the tumors reveal the development of two different tumor entities within the brain of transgenic mice. Taken together, our results provide evidence for a role of CBP in neuronal migration and an important function in adult neurogenesis. We propose a morphological correlate to the ID in RSTS patients as well as a tumor suppressive role of CBP in combination with the oncogenic driver N-Myc.

Der transkriptionelle Co-Aktivator mit Lysin-Acetyltransferase Aktivität CBP ist ein ubiquitär exprimiertes Protein mit vielen Funktionen während der Entwicklung und im adulten Organismus. Mutationen in CBP führen zum Rubinstein-Taybi Syndrom (RSTS), einer kongenitalen neuronalen Entwicklungsstörung. RSTS ist assoziiert mit verschiedenen Symptomen, unter anderem einer mentalen Retardierung. Die Funktionen von CBP, in Hirnentwicklung und -homöostase, wurden im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Wir haben ein cre-loxP basiertes Mausmodell entwickelt, das eine Deletion im zentralen Nervensystem ab Embryonaltag 13,5 erlaubt. Unsere hGFAP-cre::CBP Fl/Fl Mäuse spiegeln einige Aspekte des RSTS wie Mikrozephalie und Verhaltensauffälligkeiten verlässlich wider. Wir konnten Auffälligkeiten in den neurogenen Zonen des Gehirns, dem Hippocampus und der Subventrikulärzone (SVZ), finden. Die Architektur des Hippocampus ist auch nach Deletion von CBP intakt, allerdings scheint das Stammzellkompartiment verkleinert zu sein. In der SVZ haben wir eine große Zellansammlung durch ein Migrationsdefizit von neuronalen Vorläuferzellen beobachtet und in vitro rekapituliert. So konnten wir zeigen, dass vom Bulbus olfaktorius sezerniertes IGF1 als Signalmolekül zum Phänotyp beitragen könnte. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass die Morphologie der pyramidalen Neurone stark verändert ist. Sie haben deutlich verkürzte apikale Dendriten, eine verringerte Dichte von Dornfortsätzen sowie eine signifikante Reduktion von Synapsen. Zusätzlich zu einer Rolle von CBP in der Gehirnentwicklung ist CBP auch als Tumorsuppressor in verschiedenen Tumorentitäten beschrieben. Dazu passt, dass in RSTS Patienten eine Tumorprädisposition beobachtet wurde. Um dies genauer zu verstehen, haben wir ein weiteres Mausmodell generiert, in dem wir die Cbp Deletion mit einer Amplifikation des bekannten Onkogens N-Myc kombiniert haben. Die generierten hGFAP cre::CBP Fl/Fl lsl-MYCN Mäuse haben Tumore im Vorder- und Hinterhirn entwickelt. Wir konnten zeigen, dass transgene Tumorzellen auch in vitro wachsen. Die Analyse von Tumorhistologie und Genexpression deutet auf eine simultane Entstehung von zwei verschiedenen Tumorentitäten hin. Zusammenfassend liefern unsere Ergebnisse Hinweise für eine Rolle von CBP in der neuronalen Migration und der Neurogenese. Wir zeigen ein mögliches morphologisches Korrelat für die mentale Retardierung in RSTS Patienten. Zusätzlich zeigen wir, dass ein Verlust von CBP in Kombination mit N-myc zu der Entstehung von aggressiven Gehirntumoren führt.