Das genetische und molekulare Netzwerk der Calcium/Calmodulin-abhängigen Serin-Protein-Kinase CASK

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Hans-Jürgen Kreienkamp; Professorin Dr. Kerstin Kutsche
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen ; Humangenetik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280629181

Next generation sequencing ist eine leistungsfähige Methode zur Aufklärung der genetischen Ursachen erblich bedingter Erkrankungen. Kürzlich wurden von uns und anderen bei Patienten mit Intelligenzminderung und ggf. anderen Auffälligkeiten Mutationen im X-chromosomalen CASK-Gen identifiziert. In Synapsen des zentralen Nervensystems trägt CASK zur Bildung präsynaptischer Proteinkomplexe und zum Transport von NMDA-Rezeptoren zur Postsynapse bei. Zusätzlich aktiviert CASK in neuronalen Zellkernen gemeinsam mit dem Transkriptionsfaktor Tbr1 die Transkription der Zielgene Reelin und NR2B; letzteres kodiert für eine Untereinheit der NMDA-Rezeptoren. NMDA-Rezeptoren steuern die synaptische Plastizität und fungieren so als Schalter für Lernen und Gedächtnis; daher legt die Beteiligung von CASK an Expression und Transport der NMDA-Rezeptoren eine Rolle bei synaptischer Plastizität und Lernvorgängen nahe. Unser jetziger Wissensstand deutet darauf hin, dass ein komplexes genetisches und molekulares bzw. synaptisches Netzwerk den Phänotyp von Individuen mit CASK-Mutation bestimmt. Die phänotypische Variabilität deutet darauf hin, dass eine Reihe von Modifier-Genen CASK-abhängige Prozesse beeinflusst. CASK agiert an drei verschiedenen zellulären Orten in unterschiedlichen Proteinkomplexen, und es ist z. Zt. unklar, welcher dieser Komplexe relevant für den Pathomechanismus ist. Unsere Ziele sind:1) durch die Analyse von CASK-Transkripten und Protein in Zellen von Patienten mit CASK-Mutation eine Genotyp/Phänotyp-Korrelation zu etablieren, 2) die Identifizierung von Modifier-Genen, die für phänotypische Unterschiede bei Patientinnen mit heterozygoter CASK-Mutation verantwortlich sind. Wir werden Individuen an beiden Enden des phänotypischen Spektrums gruppieren; durch Exom-Sequenzierung sollen seltene Sequenzvarianten gefunden werden, die in einer der beiden Gruppen angereichert sind. 3) Analyse verschiedener CASK-Missense-Mutationen (p.Y268H, p.L354P, p.P396S, p.Y723C und p.W914R) im Hinblick auf die transkriptionelle Regulation von Ziel-Genen des CASK-Tbr1-Komplexes. Hierfür nutzen wir den duale Luciferase-Reporter-Assay in primären corticalen Neuronen von Cask-KO-Mäusen, die Wildtyp-CASK oder Mutanten exprimieren. 4) Analyse der Auswirkung von CASK-Missense-Mutationen auf molekulare Interaktionen des CASK-Proteins und das intrazelluläre trafficking von Neurotransmitterrezeptoren. Nach Expression von wt und mutantem Protein in Neuronen von Cask-KO-Mäusen werden wir die Bildung von Synapsen und dendritischen Dornen durch Immunzytochemie und konfokale Mikroskopie verfolgen. Die Menge der an der Zelloberfläche lokalisierten NMDA-Rezeptoren wird durch live cell imaging und Biotinylierungs-Assays bestimmt. 5) Die Analyse einer ausgewählten CASK-Mutation in vivo; hierfür erzeugen wir eine Cask-knock-in Maus, an der wir Synapsenbildung, neuronale Morphologie und Verhalten untersuchen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen