15q11-13 duplication: a cerebellar perspective Toru Takumi (RIKEN - - PowerPoint PPT Presentation

15q11-13 duplication: a cerebellar perspective

Nakatani et al.: Cell 137 (2009) Toru Takumi (RIKEN Brain Science, Japan) A chromosome-engineered mouse model for the human 15q11-13 duplication (interstitial duplication on mouse chromosome 7)

• 6.3 Mb duplication of conserved linkage group
• n mouse chromosome
• Duplication of the same region occurs in 1-3% of autism cases
• High ASD penetrance rate: ~90% (maternal duplication)
• 15q11-13 deletion in Angelman syndrome (Ube3a)

Paternally expressed Maternally expressed Non-imprinting

Mice with a paternally inherited duplication (patDp/+):

Nakatani et al.: Cell 137 (2009)

• Deficits in social interaction
• Behavioral inflexibility
• Abnormal ultrasonic vocalization

Autism Spectrum Disorder (ASD):

Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders (DSM-5):

• Deficits in social communication and social interaction
• Restrictive and repetitive behaviors

Motor impairment: ~ 80% of children with ASD have motor problems: ‘cardinal feature of autism’

• ­‑ Clumsiness ¡
• ­‑ Overflow ¡of ¡movements ¡
• ­‑ Impaired ¡balance/gait ¡

Saccadic ¡eye ¡movements ¡ and ¡gaze ¡control ¡ Impaired ¡eyeblink ¡ condi?oning ¡

Medina, Repa, Mauk and LeDoux: Nature Reviews Neurosci. 3 (2002)

PF ¡ PF+CF ¡

Coesmans, Weber, De Zeeuw & Hansel: Neuron 44 (2004)

A ¡ B ¡

Van Beugen et al: Learn. Mem. 21 (2014)

with T. Knöpfel (RIKEN, Japan)

[Ca2+]i

LTD

threshold

LTP

threshold

+

• [Ca2+]i

+

• LTP

LTD

[Ca2+]i

PF (1 Hz) PF + CF (1 Hz)

Calcium thresholds (BCM rule) ‘Inverse’ calcium thresholds in the cerebellum

Coesmans et al.: Neuron 44 (2004)

αCaMKII ¡/ ¡PKC ¡/ ¡PKA ¡ PP1 ¡/ ¡PP2B ¡

Ca2+ ¡

Ca2+ ¡

PP1 ¡/ ¡2A ¡/ ¡2B ¡ PKC ¡/ ¡αCaMKII ¡

Ca2+ ¡

Ca2+ ¡

1 2 PS845 PS831 PS818 GluR1/2 NMDAR 2 3 PS880 GluR2/3

PICK1

NSF

TARP Pyramidal cell Purkinje cell

LTP LTD Jörntell and Hansel: Neuron 52 (2006)

60 40 20 PC number/mm

(4) (4) (4)

200 150 100 50 Molecular layer (µm)

(22) (22) (18)

5 4 3 2 1 Dendritic arbor (mm)

(10) (10) (6)

wild-type patDp/+

400 300 200 100 Primary dendrite (µm)

(10) (10) (6) 25 20 15 10 5

Intersections (#) 200 150 100 50 Radius (µm)

Piochon et al., Figure1

B C D E A

Paternally expressed genes Maternally expressed genes Nonimprinting genes

wild-type patDp/+ patDp/+ wild-type

Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0

Stance Width (cm)

Fore Limb Hind Limb wild-type (n=14) patDp/+ (n=10) 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06

Propulsion Duration (s)

Fore LimbHind Limb 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0

Stride Frequency(steps/s)

Fore Limb Hind Limb 6.4 6.2 6.0 5.8 5.6 5.4 5.2 5.0

Stride Legnth (cm)

Fore Limb Hind Limb

1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

Paw Contact Area (cm

2

) 80 60 40 20

Time (ms)

Stride Stance Swing Braking Propulsion

a b c d e f

** ** wild-type patDp/+

Forelimbs Hindlimbs Forelimbs Hindlimbs Forelimbs Hindlimbs Forelimbs Hindlimbs

Piochon et al. Figure 2

** ** ** ** ** ** * ** ** ** ** Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

0 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 0 ¡

Medina, Repa, Mauk and LeDoux: Nature Reviews Neurosci. 3 (2002)

Motor learning (delay EBC) is impaired in patDp/+ mice

70 60 50 40 30 20 10 CR performance (15% criterion)

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10A11A12

Acquisition session wild-type patDp/+ 70 60 50 40 30 20 10 CR Performance (15% criterion)

A12 X1 X2 X3 X4 R1 R2 R3

Session wild-type patDp/+

a b c d e

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 800 400

wild-type patDp/+

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 800 400 800 400

Day 1 Day 12

*

• Norm. Position

(open) (closed)

Time (ms)

• Norm. Position

Time (ms) wild-type patDp/+

(closed) (open)

CR CR

Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

Synaptic transmission

100pA 10ms WT patDp/+ 100pA 100 pA 10 ms WT patDp/+ 14 µA 21 µA 28 µA 35 µA 42 µA 14 µA 21 µA 28 µA 35 µA 42 µA 50 100 150 200 250 300 350 400 450 7 14 21 28 35 42 Stimulus intensity (µA) PF-EPSC (pA) WT (n = 34 cells from 4 mice) patDp/+ (n = 22 cells from 4 mice) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Paired-pulse ratio WT patDp/+ p = 0.579 (44) (39)

A B

p = 0.505

) )

Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

Cerebellar LTD is impaired in patDp/+ mice

140 120 100 80 60 40 20 PF-EPSC amplitude (% of baseline) 40 30 20 10 Time (min) PF + CF

**

wild-type (n=10) patDp/+ (n=7) 20 ms 200 pA 20 ms 200 pA

a b c

Wild-type patDp/+ Baseline t=45min

• verlay

Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

Cerebellar LTP is normal in patDp/+ mice

200 150 100 50

PF-EPSC amplitude (% of baseline)

40 30 20 10

Time (min) PF wild-type (n=9) patDp/+ (n=5) 20 ms 200 pA 20 ms 200 pA

0.24 0.20 s

b c

Baseline t=43min

• verlay

a

Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

Baseline Post-LTP 20 ms 200 pA 20 ms 200 pA Post-LTD

200 150 100 50

PF-EPSC amplitude (% of baseline)

40 30 20 10

Time (min) PF PF+CF wild-type (n=9) patDp/+ (n=5)

a b

wild-type patDp/+

LTD is saturated in patDp/+ mice

Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

Motor learning (delay EBC) is impaired in patDp/+ mice

70 60 50 40 30 20 10 CR performance (15% criterion)

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10A11A12

Acquisition session wild-type patDp/+ 70 60 50 40 30 20 10 CR Performance (15% criterion)

A12 X1 X2 X3 X4 R1 R2 R3

Session wild-type patDp/+

a b c d e

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 800 400

wild-type patDp/+

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 800 400 800 400

Day 1 Day 12

*

• Norm. Position

(open) (closed)

Time (ms)

• Norm. Position

Time (ms) wild-type patDp/+

(closed) (open)

CR CR

Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

Medina, Repa, Mauk and LeDoux: Nature Reviews Neurosci. 3 (2002)

20 ms 1 nA

CF-EPSC (VH=-30mV)

A CF‐EPSC (VH=‐30mV)

1nA 20ms WT patDp/+

CF synaptic transmission is enhanced in patDp/+ mice

0 ¡ 0.5 ¡ 1 ¡ 1.5 ¡ 2 ¡ 2.5 ¡ 3 ¡ 3.5 ¡ 4 ¡

CF-­‑EPSC1(Vh=-­‑30) ¡ CF-­‑EPSC2 ¡(Vh=-­‑30) ¡ Amplitude ¡of ¡CF-­‑EPSC ¡(nA) ¡

0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1 ¡ 1.2 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡

PPD ¡Ra?o ¡(Vh ¡= ¡-­‑30 ¡mV) ¡

A ¡ B ¡ C ¡

Wild-­‑type ¡(n=16) ¡ patDp/+ ¡(n=10) ¡

WT ¡ patDp/+ ¡ Calbindin ¡ VGluT2 ¡

A B

Fine ¡branchlets ¡

* ¡

VGluT2 immunostaining 20μm ¡ 20μm ¡

0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1 ¡ 1.2 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ 1.8 ¡

VGluT2 ¡spots/100 ¡um2 ¡

WT ¡ PatDup ¡ MatDup ¡

WT ¡(n=7) ¡ patDp/+ ¡(n=6) ¡ matDp/+ ¡(n=3) ¡

** ¡ The CF input forms ectopic synapses in patDp/+ mice

[Ca2+]i = KD (G/R) – (G/R)min (G/R)max – (G/R)

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 [Ca2+]i nM

wild-type (n=21) patDp/+ (n=11)

2µm 50µm 2µm

0.5 s 0.1 G/R

0.5 s 0.1 G/R

[Ca2+]i baseline [Ca2+]i peak

0.1G/R 0.1G/R 500ms 500ms 20mV 200ms

patDp/+ patDp/+ patDp/+ Wild-type patDp/+ WT WT

A B C

Kloth et al.: eLife 4 (2015)

LTD deregulation in ASD mouse models ¡ Fmr1 ¡knockout ¡mice ¡ ¡hippocampus ¡ ¡ ¡Huber ¡et ¡al., ¡PNAS ¡99 ¡(2002) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡cerebellum ¡ ¡ ¡Koekkoek ¡et ¡al., ¡Neuron ¡47 ¡(2005) ¡ Nlgn3 ¡knockout ¡mice ¡ ¡cerebellum ¡ ¡ ¡Baudouin ¡et ¡al., ¡Science ¡338 ¡(2012) ¡ eIF4E-­‑transgenic ¡mice ¡ ¡hippocampus ¡ ¡ ¡San?ni ¡et ¡al., ¡Nature ¡493 ¡(2013) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡striatum ¡ ¡

✔ ✔ ✔ ✔

0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 140% 160% 180% 200% WT Dup mGluR1 GAPDH mGluR1/GAPDH 1 2 1 2 WT Dup 3 4 3 4 WT Dup mGluR1 ¡ ac?n ¡ GAPDH ¡

A B C D

160 140 120 100 80 60 40 20

slow EPSC (pA) WT (n=8) PatDup (n=10)

• 800
• 600
• 400
• 200

pA 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 s W081412_test_2_8_1p1

• 800
• 600
• 400
• 200

pA 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 s W081412_test_2_9_1p1

100pA 200ms MCPG (1mM) 100pA

patDp/+ WT

8 ¡PF ¡pulses ¡@ ¡100Hz ¡ 10μM ¡NBQX ¡ 100μM ¡picrotoxin ¡

No difference in mGluR1α expression levels or mGluR1 function

(n=8) ¡ (n=8) ¡

Deficits in developmental and adult plasticity in patDp/+ mice

140 120 100 80 60 40 20 PF-EPSC amplitude (% of baseline) 40 30 20 10 Time (min) PF + CF

**

wild-type (n=10) patDp/+ (n=7) 20 ms 200 pA 20 ms 200 pA

a b c

Wild-type patDp/+ Baseline t=45min

• verlay

a b

wild-type

wild-type (n=55, 6 mice) patDp/+ (n=56, 6 mice)

P10-12

LTD ¡deregula?on ¡ Elimina?on ¡of ¡surplus ¡climbing ¡fibers ¡

mTOR ¡ ¡ autophagy ¡and ¡pruning ¡ ¡ Tang et al, Neuron 83 (2014)

LTD ¡

Synap?c ¡ pruning ¡(CF) ¡ Reference ¡

mGluR1 ¡ Gαq ¡ PLCβ4 ¡ PKC ¡ αCaMKII ¡

✗ ¡ ✗ ¡ ✗ ¡ ✗ ¡ ✗ ¡ ✗ ¡ ✗ ¡ ✗ ¡ ✗ ¡ ✗ ¡

Aiba ¡A ¡et ¡al., ¡Cell ¡79 ¡(1994) ¡ Kano ¡M ¡et ¡al., ¡Neuron ¡18 ¡(1997) ¡ Offermans ¡S ¡et ¡al., ¡PNAS ¡94 ¡(1997) ¡ Kano ¡M ¡et ¡al., ¡PNAS ¡95 ¡(1998) ¡ Hashimoto ¡et ¡al., ¡Mol. ¡Neurobiol. ¡23 ¡(2001) ¡ De ¡Zeeuw ¡et ¡al., ¡Neuron ¡20 ¡(1998) ¡ Hansel ¡et ¡al., ¡Neuron ¡51 ¡(2006) ¡

LTD and synaptic pruning: overlap in molecular machinery

Arc ¡

✗ ¡ ✗ ¡

Smith-­‑Hicks ¡et ¡al., ¡Nat. ¡Neurosci. ¡13 ¡(2010) ¡ Mikuni ¡et ¡al., ¡Neuron ¡78 ¡(2013) ¡

LTD at CF synapses: overlap in molecular machinery

mGluR1 ¡ PKC ¡ P14-­‑26 ¡ Hansel & Linden, Neuron 26 (2000)

140 120 100 80 60 40 20 PF-EPSC amplitude (% of baseline) 40 30 20 10 Time (min) PF + CF

**

wild-type (n=10) patDp/+ (n=7) 20 ms 200 pA 20 ms 200 pA

a b c

Wild-type patDp/+ Baseline t=45min

• verlay

LTD ¡deregula?on ¡

Motor ¡(learning) ¡ deficits ¡ Synap?c ¡pruning ¡

LTD deficits as a read-out for synaptic pruning

Genes, ¡synapses, ¡ behavior ¡ (read-­‑out) ¡

0.0
 0.5
 1.0
 1.5
 2.0
 2.5
 3.0


(8)
 *
 UBE3A/β‐ac5n
 (8)
 UBE3A
 β‐Ac5n
 patDp/+
 WT


UBE3A expression is upregulated in patDp/+ mice

Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

WT ¡ Dup ¡ Arc ¡ beta-­‑ac?n ¡

0% ¡ 20% ¡ 40% ¡ 60% ¡ 80% ¡ 100% ¡ 120% ¡ 140% ¡

WT ¡ Dup ¡ WT ¡ Dup ¡

UBE3A ¡ p53 ¡ PP1 ¡ CaMKII-­‑P305 ¡ Ephexin5 ¡ SK2 ¡ Arc ¡

The Hansel Laboratory

University of Chicago / Dept. of Neurobiology

¡ Princeton ¡University ¡(USA) ¡ Sam ¡Wang ¡ ¡ RIKEN ¡Brain ¡Science ¡Ins?tute ¡(Japan) ¡ Toru ¡Takumi ¡ ¡ University ¡of ¡Tokyo ¡(Japan) ¡ Masanobu ¡Kano ¡

Collaborations:

Claire Piochon Giorgio Grasselli Dana Simmons Heather Titley Vivian Wan

Internalization Determines Cortical Neurons’ Responses to Cues Polarity Develops in Defined Sequence in Cortical Interneurons TrkB Activation Is Associated with Enlarged Synapses after Learning Caspase-6 Is Activated in Early Stages of Huntington’s Disease

G L I N

The Journal of Neuroscience

The Journal of Neuroscience November 10, 2010 Volume 30 Number 45 pages 14925-15336

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¡ Erasmus ¡MC ¡(Roperdam, ¡Netherlands) ¡ Ype ¡Elgersma ¡ ¡