German Title: Die Rolle von ELP1 in der Entwicklung des Cerebellums: Implikationen für die Familiäre Dysautonomie und SHH-Medulloblastome

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Abstract

The cerebellum plays a pivotal role in the coordination of motor movement, behavior, and language. Abnormalities in cerebellar development can have two opposing, catastrophic effects. On the one hand, they can cause neuronal degeneration, which may manifest as cerebellar ataxias and other neurological disorders. On the other hand, they can also result in the excessive proliferation of progenitor cell types, which subsequently lead to the formation of tumors. In my doctoral dissertation, I investigated the role of the Elongator complex protein ELP1 in the context of cerebellar development. A reduction or loss of ELP1 protein in neurons has been linked to the neurodegenerative disease Familial Dysautonomia. In contrast, heterozygous germline loss-of-function mutations predispose young children to the formation of SHH-medulloblastoma, a tumor subtype in the cerebellum caused by the excessive proliferation of granule cell progenitors (GCP). In my first project, I examined the impact of a GCP-specific Elp1 knockout in mice, which resulted in a reduction in cerebellum size and the onset of ataxia, mimicking the impaired gait observed in Familial Dysautonomia patients. My findings indicated that this phenotype was attributable to GCP cell death at earlier stages, resulting in a reduction in the granule cell pool and synaptic complexity at subsequent stages. In my second project, I adapted existing protocols and established humanized induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived models for the GCP lineage and cerebellar development, thereby overcoming species-specific boundaries. I demonstrated that the in vitro models reflect the characteristics of cerebellar cell types. In my third project, I employed these humanized models to examine the mechanism by which heterozygous germline mutations in ELP1 (ELP1HET) predispose GCPs to malignant transformation. I generated patient-specific ELP1HET iPSC lines and demonstrated that they exhibit a distorted DNA damage response. Ultimately, I differentiated these ELP1HET iPSCs into the novel established cerebellar models and investigated the impact of ELP1HET on the specific context of cerebellar development and cell types. In conclusion, the results of my doctoral dissertation may contribute to the understanding of the disease etiology and potential treatments for patients affected by either neurodegenerative disease Familial Dysautonomia or SHH-medulloblastoma.

Translation of abstract (German)

Das Kleinhirn spielt eine zentrale Rolle bei der Koordination von Bewegung, Verhalten und Sprache. Anomalien in der Entwicklung des Kleinhirns können zwei gegensätzliche, katastrophale Folgen haben: Einerseits können neurodegenerative Prozesse die Ursache für Erkrankungen wie Ataxien sein. Andererseits kann die unkontrollierte Vermehrung neuronaler Vorläuferzellen zur Entstehung von Tumoren führen. Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich das Elongator-Komplex-Protein ELP1 im Hinblick auf die Entwicklung des Kleinhirns untersucht. Ein stark erniedrigter ELP1-Proteinspiegel in Nervenzellen wird mit der neurodegenerativen Erkrankung Familiäre Dysautonomie in Verbindung gebracht. Heterozygote Keimbahnmutationen in ELP1 begünstigen dagegen die Entstehung von SHH-Medulloblastomen bei Kleinkindern. Die Entstehung von SHH-Medulloblastomen ist auf eine unkontrollierte Proliferation von Körnerzell-Vorläuferzellen (GCP) zurückzuführen. In meinem ersten Projekt habe ich die Auswirkungen eines GCP-spezifischen Elp1-Knockouts in einem Mausmodell untersucht. Dabei konnte eine Verkleinerung des Kleinhirnvolumens sowie das Auftreten von Ataxie-Symptomen nachgewiesen werden. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieser Phänotyp durch das Absterben von GCPs in frühen Stadien verursacht wird, was zu einer Reduktion der Anzahl von GCPs und der synaptischen Komplexität in späteren Stadien führt. Im Rahmen meines zweiten Projekts habe ich Protokolle für die gerichtete Differenzierung von induzierten pluripotenten Stammzellen in neuartige in vitro Modelle wie induzierte GCPs und Kleinhirnorganoide etabliert. Diese Modelle ermöglichen die Untersuchung von Entwicklungsprozessen ohne ethische Bedenken und sind spezifisch an den Menschen angepasst. Ich konnte zeigen, dass die in vitro generierten Modelle teilweise der Physiologie des Kleinhirns entsprechen und auch die Zelltypen des Kleinhirns enthalten. In meinem dritten Projekt verwendete ich diese Stammzellmodelle, um zu untersuchen, wie heterozygote Keimbahnmutationen in ELP1 die maligne Transformation von GCPs fördern. Dazu generierte ich iPSC-Linien mit heterozygoten Keimbahnmutationen in ELP1 (ELP1HET) und konnte zeigen, dass die DNA-Reparatur in den betroffenen Zelllinien gestört ist. Schließlich differenzierte ich die ELP1HET-Stammzellen in die neuen Kleinhirnmodelle und untersuchte die Effekte im spezifischen Kontext der Kleinhirnentwicklung und der zugehörigen Zelltypen. Die Ergebnisse meiner Dissertation tragen dazu bei, die grundlegenden Ursachen neurodegenerativer Erkrankungen wie der familiären Dysautonomie oder des SHH-Medulloblastoms besser zu verstehen und potenzielle Therapien zu entwickeln.