Decoding the brain mosaic

Gerstner, Nathalie (2024): Decoding the brain mosaic: region and cell type-specific dysregulation patterns in stress and psychiatric disorders. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

Background Psychiatric disorders rank among the top causes of global disability, leading to a substantial decrease in quality of life and imposing significant challenges on society. Their development involves a complex interplay of genetic and environmental factors that initiate molecular, cellular, and structural changes in the human body, specifically in the brain. Yet, the molecular architecture of psychiatric disorders remains elusive, largely due to their polygenic nature and the complex interplay among a mosaic of diverse cell types and various brain regions. The prefrontal cortex, a brain region orchestrating higher cognitive function, has shown structural and functional abnormalities in psychiatric disorders, such as schizophrenia, major depressive disorder (MDD), and bipolar disorder. This group of mood and psychotic disorders does not only display overlapping symptoms but also shares a common genetic architecture. While moderate stress can foster resilience and prevent psychiatric conditions, chronic stress can disrupt the body's stress response systems like the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis, posing a major risk factor for the development of such disorders. This thesis aims to delineate the transcriptomic response to stress across various brain regions and the shared molecular architecture of schizophrenia, MDD, and bipolar disorder in the prefrontal cortex on a cell type level. Methodology To decipher the brain's stress response via the HPA axis, this work utilized RNA-sequencing to analyze the transcriptional response to the glucocorticoid receptor agonist dexamethasone across eight brain regions implicated in stress within a mouse model (n=30). With a combination of differential expression and network analyses, we sought to unravel complex gene networks that evade detection at the single-gene level. For insights into the molecular basis of psychiatric disorders within the orbitofrontal cortex – a subregion of the prefrontal cortex and focal point in psychiatric research – single-nucleus RNA-sequencing and ATAC-sequencing, a technique assessing chromatin accessibility, were conducted. These methods were applied to 92 postmortem human brain samples from a transdiagnostic cohort that included healthy controls and psychiatric cases with a diagnosis for schizophrenia, schizoaffective disorder, MDD, or bipolar disorder. Profiles of gene expression and chromatin accessibility, for 800,000 and 400,000 nuclei respectively, were generated and subsequently integrated with genetic risk and clinical profiles. Differential expression and chromatin accessibility analyses between cases and controls were complemented by differential analyses contrasting groups of high and low genetic risk. Results The findings uncover a brain region-specific response to glucocorticoid stimulation in mice (5-27% of differentially expressed genes per brain region), yet a large number of genes (n_genes=172) demonstrates a consistent response throughout various regions. Network analyses enhance the understanding gained from differential expression, such as for genes like Abcd1, involved in the active transport of glucocorticoids, and part of a differential network highlighting the role of ABC transporters in glucocorticoid response. Additionally, the gene Tcf4, which is implicated in psychiatric disorders, may modulate the Wnt pathway in a subregion-specific manner within the dentate gyrus. Furthermore, cell type-specific alterations in gene expression and chromatin accessibility within the human orbitofrontal cortex reveal a pronounced impact in excitatory neurons associated with psychiatric diagnoses and additionally in glial and endothelial cells influenced by genetic risk. Notably, there is minimal overlap between genes affected by psychiatric diagnosis and those influenced by genetic risk, yet the affected biological pathways often converge. The genes INO80E and HCN2 stand out due to their dysregulation on the level of both gene expression and chromatin accessibility in excitatory neurons of layers 2/3 influenced by genetic risk for schizophrenia. Conclusion In conclusion, this thesis significantly enriches our understanding of the stress response via the activation of the glucocorticoid receptor across multiple brain regions. Additionally, it sheds light on the complex genetic, transcriptomic, and epigenetic landscape of psychiatric disorders in a multitude of cell types. By contrasting genetic predisposition with clinical diagnoses, this research underscores the complexities inherent in integrating genetic risk factors with clinical phenotypes and highlights the necessity for a deeper understanding of the underlying biology. This thesis contributes to addressing these complexities, paving the way for advancements in personalized mental health care and the development of more targeted diagnostic and therapeutic strategies. The DiffBrainNet Shiny app as well as data and code repositories provide a wealth of materials and results, opening avenues for further exploration.

Abstract

Hintergrund Psychische Störungen gehören weltweit zu den häufigsten Erkrankungen, beeinträchtigen die Lebensqualität von Betroffenen erheblich und stellen eine große gesellschaftliche Herausforderung dar. Ihre Entstehung ist von einem komplexen Zusammenspiel genetischer und umweltbedingter Faktoren geprägt, die molekulare, zelluläre und strukturelle Veränderungen im menschlichen Körper, insbesondere im Gehirn, auslösen. Dennoch bleibt die molekulare Basis psychischer Störungen weitgehend unergründet, was vor allem durch ihre polygene Beschaffenheit und die komplexen Interaktionen zwischen einer Vielfalt von Zelltypen und verschiedenen Gehirnregionen bedingt ist. Der präfrontale Kortex ist eine Gehirnregion, die höhere kognitive Prozesse koordiniert und bei psychischen Störungen wie Schizophrenie, Depression und bipolarer Störung strukturelle und funktionelle Anomalien zeigt. Diese Gruppe von affektiven und psychotischen Störungen zeigt nicht nur überlappende Symptome, sondern teilt auch eine gemeinsame genetische Basis. Während moderater Stress die Resilienz fördern und psychischen Erkrankungen vorbeugen kann, kann chronischer Stress die körpereigenen Stressreaktionssysteme, wie die Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Achse (HPA-Achse), stören und stellt somit einen erheblichen Risikofaktor für die Entwicklung solcher Erkrankungen dar. Diese Doktorarbeit zielt darauf ab, die transkriptomische Reaktion auf Stress über verschiedene Gehirnregionen hinweg sowie die gemeinsame molekulare Basis von Schizophrenie, Depression und bipolarer Störung im präfrontalen Kortex auf der Zellebene zu ergründen. Methodik In dieser Arbeit wurde die RNA-Sequenzierung genutzt, um die transkriptomische Reaktion auf den Glukokortikoidrezeptor-Agonisten Dexamethason in acht für die Stressreaktion relevanten Gehirnregionen anhand eines Mausmodells (n=30) zu analysieren. Die Intention dabei war, die Stressreaktion des Gehirns über die HPA-Achse zu entschlüsseln und komplexe Gen-Netzwerke aufzudecken, die auf der Einzelgen-Ebene nicht erkennbar sind. Hierfür wurde eine Kombination aus differentieller Expressions- und Netzwerkanalyse verwendet. Um Einblicke in die molekulare Basis psychischer Störungen innerhalb des orbitofrontalen Kortex, einer Unterregion des präfrontalen Kortex und Schwerpunkt der psychiatrischen Forschung, zu gewinnen, wurde neben Einzelkern-RNA-Sequenzierung auch Einzelkern-ATAC-Sequenzierung durchgeführt – ein Verfahren zur Analyse der genomweiten Chromatin-Zugänglichkeit. Diese Methoden wurden an 92 postmortalen humanen Gehirnproben aus einer transdiagnostischen Kohorte angewandt, welche gesunde Kontrollen und psychiatrische Fälle mit Diagnosen für Schizophrenie, schizoaffektive Störung, Depression oder bipolare Störung umfasst. Genexpression und Chromatin-Zugänglichkeit für 800.000 bzw. 400.000 Zellkerne wurden mit genetischem Risiko für psychische Störungen und klinischen Daten integriert. Neben der Analyse von differentieller Expression und Chromatin-Zugänglichkeit zwischen Erkrankten und Kontrollen, wurden Gruppen mit hohem und niedrigem genetischem Risiko in differentiellen Analysen verglichen. Ergebnisse Die Ergebnisse zeigen eine regionsspezifische Reaktion auf Glukokortikoid-Stimulation im Maushirn (5-27% der differentiell exprimierten Gene pro Gehirnregion), wobei eine hohe Anzahl an Genen (n_Gene=172) in verschiedenen Regionen konsistent reagiert. Netzwerkanalysen erweitern das Verständnis, das aus der differentiellen Expressionsanalyse gewonnen wurde. Ein Beispiel hierfür ist das Gen Abcd1, das am aktiven Transport von Glukokortikoiden beteiligt und Teil eines differentiellen Netzwerks ist, welches die Rolle der ABC-Transporter in der Glukokortikoidreaktion hervorhebt. Ein weiteres Gen ist Tcf4, das mit psychischen Störungen in Verbindung gebracht wird und möglicherweise den Wnt-Signalweg in einer subregionsspezifischen Weise innerhalb des Gyrus dentatus moduliert. Darüber hinaus wurden zelltypspezifische Veränderungen der Genexpression und der Chromatin-Zugänglichkeit im humanen orbitofrontalen Kortex beobachtet, die einen ausgeprägten Einfluss auf erregende Neuronen in Assoziation mit psychiatrischen Diagnosen, sowie zusätzlich auf Glia- und Endothelzellen im Zusammenhang mit genetischem Risiko aufzeigen. Obwohl es zwischen Genen, die durch die den Krankheitsverlauf und solchen, die durch genetisches Risiko beeinflusst sind, nur eine minimale Überschneidung gibt, stimmen die betroffenen biologischen Prozesse oft überein. Die Gene INO80E und HCN2 heben sich hervor, da sie sowohl auf Ebene der Genexpression als auch der Chromatin-Zugänglichkeit in erregenden Neuronen der Schichten 2/3 durch das genetische Risiko für Schizophrenie beeinflusst werden. Schlussfolgerung Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit tragen maßgeblich zu einem verbesserten Verständnis der Stressreaktion über die Aktivierung des Glukokortikoidrezeptors in verschiedenen Gehirnregionen bei. Außerdem geben Sie Aufschluss über die komplexe genetische, transkriptomische und epigenetische Landschaft psychischer Störungen in einer Vielzahl von Zelltypen. Durch die Gegenüberstellung von genetischem Risiko und klinischer Diagnose ebnet diese Doktorarbeit den Weg für Fortschritte in der personalisierten Gesundheitsversorgung und der Entwicklung gezielterer diagnostischer und therapeutischer Strategien. Die DiffBrainNet Shiny-App sowie Daten- und Quellcode-Repositorien stellen eine Fülle von Materialien und Ergebnissen bereit, die Wege für daran anknüpfende Forschung eröffnen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
• Fakultäten: Fakultät für Biologie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 11. Oktober 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Schmidt, Mathias