PsyCoP – a novel platform for deep behavioral phenotyping and its use for the characterization of high validity psychiatric mouse models

Stephan, Marius (2023): PsyCoP – a novel platform for deep behavioral phenotyping and its use for the characterization of high validity psychiatric mouse models. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

There is still an urgent clinical need for new psychopharmacological treatments due to this far unaddressed symptoms and treatment resistance. In the last decades most developments failed, also because of the lack of appropriate and well characterized cellular and animal models. In recent years, advances in human genetics and patient-derived cellular models fostered new insights in the pathogenesis of and recovery from psychiatric disorders. The aim of this thesis was to make use of these advances to identify targets and characterize high construct validity mouse models based on these targets, with the help of a novel approach to behavioral profiling and single-cell transcriptomics, to increase predictive value. For deep phenotyping, we developed a standardized platform for systematic and semi-automated cognitive and behavioral profiling (PsyCoP), investigating the Cry1/2-/- double-knockout (Cry DKO) mouse model in the process. Further, we paired the Cry DKO genetic factor with a shift work paradigm as environmental factor to gain a high construct validity ‘two-hit’ model of a changed risk for alcohol use disorder (AUD). In addition, I established an improved data analysis pipeline for PsyCoP, adopting the Research Domain Criteria (RDoC) framework for high translational value. We then used PsyCoP first to characterize the Tcf4-transgenic social defeat (Tcf4xSD) ‘two-hit’ model, revealing gene x environment (GxE) interactions producing severe cognitive dysfunctions found in schizophrenia and other psychotic disorders. Further, we validated the beneficial effect of the repurposed compound spironolactone on cognitive functions in the Tcf4xSD mouse model. We went on to investigate the genetics underlying lithium responsiveness with gene-set-based enrichment analyses, finding a strong association of the circadian core clock and lithium therapy outcome. Further, we identified the circadian modulator BHLHE41 as a top hit. Then, we demonstrated partial lithium non-responsiveness of Bhlhe40/41-/- double-knockout (Bhl-he40/41 DKO) mice in several cognitive tasks. Further, we found reduced neuronal excitability and synaptic plasticity in response to lithium treatment, again, with a partial or total non-responsiveness of Bhlhe40/41 DKO mice. These findings suggest neuronal excitability modulation as a central mechanism of lithium’s therapeutic effect and Bhlhe40/41 DKO mice as a potential model for non-responder patients. Lastly, we improved the characterization of a patient-derived cellular model of myelination with the help of RNA velocity analysis. With the help of these models, we will hopefully be able to identify targets for improved mouse models of disturbed myelination. In summary, we were able to characterize and use several high validity mouse models psychiatric disorder endophenotypes with the help of the PsyCoP that will hopefully help to improve the translational value preclinical animal study and thus the success of psychopharmacological development to meet psychiatric clinical needs.

Abstract

Es besteht nach wie vor dringender Bedarf an neuen psychopharmakologischen Medikamenten. Jedoch scheiterten bisher die meisten Entwicklungsversuche unter anderem aufgrund des Mangels an geeigneten und gut charakterisierten Zell- und Tiermodellen. In den letzten Jahren haben wissenschaftliche Fortschritte neue Einblicke in die Pathogenese von psychiatrischen Störungen und deren Heilung ermöglicht. Ziel dieser Arbeit war es, diese Fortschritte zu nutzen, um Targets zu identifizieren und Mausmodelle mit hoher Konstrukt-Validität zu charakterisieren. Dazu wurde ein neuartiger Ansatz zur Verhaltensprofilierung verwendet, um den prädiktiven Wert der Studien zu erhöhen. Für eine tiefgreifende Phänotypisierung entwickelten wir eine standardisierte Plattform für die systematische und halbautomatische Erstellung von kognitiven und Verhaltensprofilen (PsyCoP) und untersuchten dabei das Cry1/2-/--Doppelknockout (Cry-DKO) -Mausmodell. Darüber hinaus haben wir den genetischen Faktor Cry-DKO mit einem Schichtarbeitssystem als Umweltfaktor kombiniert, um ein ätiologisch valides "Two-Hit"-Modell eines veränderten Risikos für Alkoholmissbrauchsstörungen (AUD) zu erhalten. Des Weiteren habe ich eine Datenanalyse-Pipeline für PsyCoP entwickelt, die das Research Domain Criteria (RDoC)-Konzept für einen hohen translationalen Wert nutzt. Wir nutzten PsyCoP dann zunächst zur Charakterisierung des Tcf4-transgenen Modells gepaart mit psychosozialem Stress durch wiederholte soziale Niederlagen (Social Defeat; Tcf4xSD), um die Wechselwirkungen zwischen Genetik und Umgebung (GxE) zu untersuchen, die zu schweren kognitiven Störungen bei Schizophrenie und anderen psychotischen Störungen führen. Darüber hinaus validierten wir die positive Wirkung des kürzlich als pro-kognitiv wirkend identifizierten Wirkstoffs Spironolacton auf die kognitiven Funktionen im Tcf4xSD-Mausmodell. Anschließend untersuchten wir die genetischen Grundlagen der Lithiumantwort mit Hilfe von Gen-Set-basierten Enrichment-Analysen und fanden einen starken Zusammenhang zwischen der zirkadianen Uhr und Lithiumtherapie-Erfolg. Darüber hinaus identifizierten wir den zirkadianen Modulator BHLHE41 als einen Top-Hit. Anschließend wiesen wir nach, dass Bhlhe40/41-/--Doppelknockout-Mäuse (Bhlhe40/41-DKO) bei verschiedenen kognitiven Aufgaben teilweise nicht auf Lithium ansprechen. Diese verschlechterte Antwort fand sich auch für den Effekt von Lithium auf die neuronale Erregbarkeit und synaptische Plastizität. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Modulation der neuronalen Erregbarkeit ein zentraler Mechanismus der therapeutischen Wirkung von Lithium sein könnte und Bhlhe40/41-DKO-Mäuse ein potenzielles Modell für Patienten sind, die nicht auf Lithium ansprechen. Schließlich haben wir die Charakterisierung eines vom Patienten stammenden zellulären Modells der Myelinisierung mit Hilfe der RNA-Velocity-Analyse verbessert. Mit Hilfe dieser Modelle werden wir hoffentlich in der Lage sein, Targets für verbesserte Mausmodelle einer gestörten Myelinisierung zu identifizieren.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: psychiatry, gene × environment interaction, schizophrenia, lithium, research domain criteria
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 15. März 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Rossner, Moritz