Disrupted-in-Schizophrenia 1: a molecular key in microglia controlling mouse behaviour through cytoskeletal control

Abstract

Microglia are the resident immune cells of the brain. In addition to their immunological functions such as fighting infections, they are inseparable from neuronal wiring through cytoskeleton-dependent mechanisms including synaptic modulation and elimination. As such, disruption of microglial biology impacts neurodevelopment, contributing to neurodevelopmental disorders such as schizophrenia and autism spectrum disorder (ASD). Studying neurodevelopmental risk genes as potential microglia-intrinsic regulators therefore adds to our growing understanding of the fundamental biology underpinning microglial homeostatic and immunological functions, and identifies novel mechanistic insights and possible treatment options for neurodevelopmental disorders. We hypothesized that disruption of the neurodevelopmental risk gene Disrupted-in-Schizophrenia 1 (DISC1) in microglia causes abnormal cytoskeletal control and subsequent dysfunction of motion and phagocytosis, thereby driving neurodevelopmental disorders. We focused on DISC1 as a new molecular key that mediates microglial functions in the developing mouse brain, from molecular control of cell biology up to behavioural aspects after Disc1 impairment. Upon the validation of DISC1 expression in mouse and human microglia, we showed that Disc1 locus impairment (LI) alters the inflammatory gene profile of primary mouse microglia and halts nitric oxide production. Using raster image correlation spectroscopy, we found that DISC1 diffuses slower in actin- and tubulin-rich regions of microglial cells, suggesting cytoskeletal interaction and regulation. Also, actin distribution and tubulin motion are altered in Disc1 LI microglia. On the level of cellular morphology and motion, we combined in vitro and in situ techniques to show that Disc1 LI hampers microglial morphological ramification, migration, branch motility and phagocytosis of synaptosomes. We validated the microglial-autonomous role of DISC1 on cell morphology and brain surveillance using a combination of wholebody irradiation, bone marrow transplantation and CSF1 receptor inhibition (PLX5622) enabling the study of Disc1 LI microglia-like cells in a healthy, wildtype brain environment. Secondly, we revealed impairments in the daily behaviour and cognitive capacity of adult full Disc1 LI mice, of which some can be fully rescued by transplanting healthy, wild-type bone marrow inducing microglial replacement. The exact contribution of the donated healthy microglia-like cells to the rescued behavioural phenotype versus the contribution of the transplanted peripheral immune cells, and the exact underlying mechanism remains to be further investigated. Interestingly, the assessment of microglia-specific Disc1 LI on synaptic density and function is already initiated in our lab. We conclude that microglial immunological and homeostatic functions are regulated by DISC1 through cytoskeletal control, which makes us among the first to show a substantial role for a neurodevelopmental risk gene in microglial physiology. In addition, our data indicate that the aberrant behaviours characteristic of the Disc1 LI mouse model may be a result of immune system dysregulation, including microglial dysfunction, and suggest that immunotherapy or targeting of microglial-specific cytoskeletal pathways may represent future therapeutic strategies for neurodevelopmental disorders

Microglia zijn de residente immuuncellen van de hersenen. Ze hebben immunologische functies zoals het bestrijden van infecties, maar zijn ook betrokken bij de ontwikkeling van de hersenen en het ontstaan en onderhouden van neuronale netwerken. Dit doen ze bijvoorbeeld via synaptische modulatie en eliminatie, twee mechanismen die sterk onderhevig zijn aan het dynamische cytoskelet van microglia. Verstoring van microgliale functies beïnvloedt de neurologische ontwikkeling en leidt mogelijks tot neuro-ontwikkelingsstoornissen zoals schizofrenie en autismespectrumstoornis. Het bestuderen van neurologische risicogenen als potentiële microglia-intrinsieke regulatoren draagt daardoor bij aan onze kennis omtrent onderliggende mechanismen van microgliale homeostatische en immunologische functies. Het identificeren van deze nieuwe mechanismen leidt mogelijks tot nieuwe behandelingsopties voor neuroontwikkelingsstoornissen. Binnen dit doctoraatsproject veronderstelden we dat verstoring van het neurologische risicogen Disrupted-in-Schizophrenia 1 (DISC1) kan leiden tot abnormale controle van het cytoskelet in microglia. Dit bemoeilijkt bijgevolg hun beweging en fagocytose, wat mogelijks neuroontwikkelingsstoornissen in de hand werkt. We hebben ons ten eerste gefocust op DISC1 als een nieuw moleculair mechanisme dat microgliale functies in ontwikkelende muizenhersenen beïnvloedt. We hebben hiervoor zowel de moleculaire controle op celbiologie als de gedragsveranderingen geïnduceerd door de afwezigheid van DISC1 bestudeerd. Na de validatie van DISC1 expressie in microglia van muizen en mensen, toonden we aan dat Disc1 locus impairment (LI) het inflammatoire genprofiel van primaire muis microglia verandert en de productie van stikstofmonoxide verhindert. Met behulp van raster image correlation spectroscopy ontdekten we dat DISC1 langzamer diffundeert in actine- en tubulinerijke gebieden van microgliale cellen, wat wijst op cytoskeletale interactie en regulatie. Ook zijn actinedistributie en tubulinebeweging veranderd in Disc1 LI microglia. Op het niveau van celbiologie hebben we in vitro en in situ technieken gecombineerd om aan te tonen dat Disc1 LI de microgliale morfologie, migratie, motiliteit en fagocytose van synaptosomen belemmert. We hebben de microgliaspecifieke rol van DISC1 op celmorfologie en motiliteit gevalideerd door Disc1 LImicroglia-achtige cellen te bestuderen in een gezonde hersenomgeving met behulp van bestraling, beenmergtransplantatie en CSF1-receptorremming (PLX5622). Ten tweede onthulden we verstoringen in het dagelijkse gedrag en de cognitieve capaciteit van volwassen Disc1 LI muizen. Sommige verstoringen konden echter volledig hersteld konden worden door het transplanteren van gezond beenmerg en hierdoor ook de Disc1 LI microglia te vervangen door gezonde microgliaachtige cellen. De exacte bijdrage van de gedoneerde gezonde microglia-achtige cellen aan het herstelde gedragsfenotype ten opzichte van de bijdrage van de getransplanteerde perifere immuuncellen, en het exacte onderliggende mechanisme moet nog verder onderzocht worden. Hiervoor zijn we in het labo intussen gestart om het effect van microglia-specifieke Disc1 LI te onderzoeken op het aantal synapsen en op synaptische transmissie. We concluderen dat microgliale immunologische en homeostatische functies worden gereguleerd door DISC1 via cytoskeletale controle, wat ons een van de eersten maakt die een substantiële rol voor een neuro-ontwikkelingsgen in microgliale fysiologie heeft aangetoond. Bovendien geven onze resultaten aan dat het afwijkende gedrag dat kenmerkend is voor het Disc1 LI muismodel het gevolg kan zijn van een ontregeling van het immuunsysteem, inclusief disfunctie van microglia. Dit suggereert dat immunotherapie of het beïnvloeden van cytoskeletale mechanismen in microglia toekomstige therapeutische strategieën voor neuro-ontwikkelingsstoornissen kunnen zijn.