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

15q11-13 duplication: a cerebellar perspective

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 on 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 Nakatani et al.: Cell 137 (2009)

Mice with a paternally inherited - Deficits in social interaction duplication (patDp/+): - Behavioral inflexibility - Abnormal ultrasonic vocalization Nakatani et al.: Cell 137 (2009)

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’ Saccadic ¡eye ¡movements ¡ and ¡gaze ¡control ¡ -­‑ Clumsiness ¡ Impaired ¡eyeblink ¡ -­‑ Overflow ¡of ¡movements ¡ condi?oning ¡ -­‑ Impaired ¡balance/gait ¡

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

A ¡ B ¡ PF ¡ PF+CF ¡ Coesmans, Weber, De Zeeuw & Hansel: Neuron 44 (2004) Van Beugen et al: Learn. Mem. 21 (2014)

Calcium thresholds (BCM rule) + [Ca 2+ ] i LTD LTP threshold threshold - ‘ Inverse ’ calcium thresholds in the cerebellum + LTP [Ca 2+ ] i LTD PF + CF (1 Hz) PF (1 Hz) [Ca 2+ ] i - with T. Knöpfel (RIKEN, Japan) Coesmans et al.: Neuron 44 (2004)

GluR2/3 GluR1/2 NMDAR 1 2 2 3 P S845 P S831 P S818 P S880 NSF TARP LTP LTD PICK1 Ca 2+ ¡ Ca 2+ ¡ α CaMKII ¡/ ¡PKC ¡/ ¡PKA ¡ PKC ¡/ ¡ α CaMKII ¡ PP1 ¡/ ¡PP2B ¡ Ca 2+ ¡ Ca 2+ ¡ PP1 ¡/ ¡2A ¡/ ¡2B ¡ Pyramidal cell Purkinje cell Jörntell and Hansel: Neuron 52 (2006)

A B wild-type patDp/+ C wild-type patDp/+ wild-type patDp/+ D 60 5 400 200 Primary dendrite (µm) Dendritic arbor (mm) Molecular layer (µm) PC number/mm 4 300 150 40 3 200 100 2 20 100 50 1 (4) (4) (4) (10) (10) (6) (22) (22) (18) (10) (6) (10) 0 0 0 0 E 25 Intersections (#) 20 Paternally expressed genes 15 Maternally expressed genes Nonimprinting genes 10 5 0 Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014) 50 100 150 200 Radius (µm) Piochon et al., Figure1

a b Braking Propulsion wild-type patDp/+ 1.4 Stride Stance Swing ) 2 Paw Contact Area (cm 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 0 20 40 60 80 Time (ms) c d ** ** 3.0 0.14 wild-type (n=14) Propulsion Duration (s) ** ** patDp/+ (n=10) Stance Width (cm) 0.12 2.5 * 0.10 2.0 0.08 1.5 0.06 1.0 Forelimbs Hindlimbs Forelimbs Hindlimbs Fore Limb Hind Limb Fore LimbHind Limb e f ** ** ** ** Stride Frequency(steps/s) 6.4 4.5 ** ** ** ** Stride Legnth (cm) 6.2 4.0 6.0 3.5 5.8 5.6 3.0 5.4 2.5 5.2 5.0 2.0 Piochon et al. Figure 2 Forelimbs Hindlimbs Forelimbs Hindlimbs Fore Limb Hind Limb Fore Limb Hind Limb Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

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

Motor learning (delay EBC) is impaired in patDp/+ mice a b c wild-type patDp/+ wild-type (closed) 1.0 (closed) 1.0 patDp/+ Day 1 Norm. Position 0.8 0.8 Norm. Position Day 12 CR CR 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 (open) (open) 0.0 0.0 0 400 800 0 400 800 0 400 800 Time (ms) Time (ms) d e CR Performance (15% criterion) wild-type CR performance (15% criterion) wild-type 70 70 patDp/+ patDp/+ 60 60 50 50 * 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 A12 X1 X2 X3 X4 R1 R2 R3 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10A11A12 Acquisition session Session Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

Synaptic transmission A p = 0.579 WT 1.8 1.6 1.4 Paired-pulse ratio 1.2 100pA 1 0.8 patDp/+ 0.6 0.4 0.2 (44) (39) 100pA 0 patDp/+ 10ms WT B WT WT (n = 34 cells from 4 mice) ) 450 ) patDp/+ (n = 22 cells from 4 mice) 400 p = 0.505 14 µ A 350 21 µ A PF-EPSC (pA) 28 µ A 300 35 µ A 250 42 µ A 200 patDp/+ 150 100 14 µ A 50 21 µ A 28 µ A 0 100 pA 35 µ A 7 14 21 28 35 42 10 ms 42 µ A Stimulus intensity ( µ A) Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

Cerebellar LTD is impaired in patDp/+ mice a b Baseline t=45min overlay Wild-type 200 pA 20 ms patDp/+ 200 pA 20 ms c PF + CF wild-type (n=10) PF-EPSC amplitude (% of baseline) patDp/+ (n=7) 140 120 100 ** 80 60 40 20 0 10 20 30 40 Time (min) Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

Cerebellar LTP is normal in patDp/+ mice a b Baseline t=43min overlay 200 pA 20 ms 0.20 0.24 s 200 pA 20 ms c wild-type (n=9) PF-EPSC amplitude (% of baseline) PF patDp/+ (n=5) 200 150 100 50 0 10 20 30 40 Time (min) Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

LTD is saturated in patDp/+ mice a Baseline Post-LTP Post-LTD wild-type 200 pA 20 ms patDp/+ 200 pA 20 ms b PF+CF PF-EPSC amplitude (% of baseline) 200 wild-type (n=9) PF patDp/+ (n=5) 150 100 50 0 0 10 20 30 40 Time (min) Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

Motor learning (delay EBC) is impaired in patDp/+ mice a b c wild-type patDp/+ wild-type (closed) 1.0 (closed) 1.0 patDp/+ Day 1 Norm. Position 0.8 0.8 Norm. Position Day 12 CR CR 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 (open) (open) 0.0 0.0 0 400 800 0 400 800 0 400 800 Time (ms) Time (ms) d e CR Performance (15% criterion) wild-type CR performance (15% criterion) wild-type 70 70 patDp/+ patDp/+ 60 60 50 50 * 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 A12 X1 X2 X3 X4 R1 R2 R3 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10A11A12 Acquisition session Session Piochon et al.: Nature Comms. 5 (2014)

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

CF synaptic transmission is enhanced in patDp/+ mice A ¡ B ¡ 4 ¡ Amplitude ¡of ¡CF-­‑EPSC ¡(nA) ¡ 3.5 ¡ A CF‐EPSC (V H =‐30mV) CF-EPSC (V H =-30mV) 3 ¡ 2.5 ¡ 2 ¡ 1.5 ¡ WT 1 ¡ 0.5 ¡ 0 ¡ CF-­‑EPSC1(Vh=-­‑30) ¡ CF-­‑EPSC2 ¡(Vh=-­‑30) ¡ 1nA 1 nA 20ms 20 ms C ¡ 1.6 ¡ Wild-­‑type ¡(n=16) ¡ 1.4 ¡ PPD ¡Ra?o ¡(Vh ¡= ¡-­‑30 ¡mV) ¡ patDp/+ ¡(n=10) ¡ 1.2 ¡ patDp/+ 1 ¡ 0.8 ¡ 0.6 ¡ 0.4 ¡ 0.2 ¡ 0 ¡

The CF input forms ectopic synapses in patDp/+ mice VGluT2 immunostaining Calbindin ¡ VGluT2 ¡ patDp/+ ¡ WT ¡ B A Fine ¡branchlets ¡ 1.8 ¡ ** ¡ * ¡ 1.6 ¡ WT ¡(n=7) ¡ WT ¡ 1.4 ¡ patDp/+ ¡(n=6) ¡ PatDup ¡ VGluT2 ¡spots/100 ¡um 2 ¡ 1.2 ¡ matDp/+ ¡(n=3) ¡ MatDup ¡ 1 ¡ 0.8 ¡ 0.6 ¡ 0.4 ¡ 0.2 ¡ 0 ¡ 20μm ¡ 20μm ¡

C A patDp/+ patDp/+ (G/R) – (G/R) min [Ca 2+ ] i = K D 2µm (G/R) max – (G/R) 1000 900 wild-type (n=21) patDp/+ (n=11) 800 50µm patDp/+ Wild-type 700 600 [Ca 2+ ] i nM 500 400 2µm 300 B WT 200 20mV patDp/+ WT 0.5 0.1G/R 0.5 0.1 G/R 0.1G/R 0.1 G/R 200ms 0.5 s 100 0.5 s 500ms G/R 500ms 0.4 G/R 0.4 0.3 0.3 0 [Ca 2+ ] i baseline [Ca 2+ ] i peak 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 s s

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 ¡ ¡

No difference in mGluR1 α expression levels or mGluR1 function A C 200% 100pA WT 180% 160% 140% 8 ¡PF ¡pulses ¡@ ¡100Hz ¡ 120% 10μM ¡NBQX ¡ W081412_test_2_9_1p1 100μM ¡picrotoxin ¡ W081412_test_2_8_1p1 100% 100pA 80% -200 200ms 60% -200 mGluR1 patDp/+ MCPG (1mM) 40% GAPDH 20% -400 mGluR1/GAPDH -400 0% pA pA WT Dup (n=8) ¡ (n=8) ¡ -600 -600 WT (n=8) B WT Dup D WT Dup PatDup (n=10) -800 -800 1 2 1 2 160 3 4 3 4 140 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 mGluR1 ¡ s s 120 slow EPSC (pA) 100 ac?n ¡ 80 60 40 GAPDH ¡ 20 0

Deficits in developmental and adult plasticity in patDp/+ mice LTD ¡deregula?on ¡ a b Baseline t=45min overlay Wild-type mTOR ¡ ¡ autophagy ¡and ¡pruning ¡ ¡ 200 pA Tang et al, Neuron 83 (2014) 20 ms patDp/+ Elimina?on ¡of ¡surplus ¡climbing ¡fibers ¡ 200 pA 20 ms a b P10-12 c wild-type PF + CF wild-type (n=10) wild-type (n=55, 6 mice) PF-EPSC amplitude (% of baseline) patDp/+ (n=7) patDp/+ (n=56, 6 mice) 140 120 100 ** 80 60 40 20 0 10 20 30 40 Time (min)