ZeGRIN: Using zebrafish GRIN-related disorders models for disease understanding and therapeutic discovery

Abstract

[eng] The glutamatergic neurotransmission system is crucial for brain function, and its dysregulation is involved in several neurological diseases, including developmental, psychiatric and neurodegenerative disorders. Recently, high-throughput genetic studies in patients with idiopathic developmental encephalopathies allowed the identification of GRIN-Related Disorders (GRDs). GRD is a group of genetic rare neurodevelopmental diseases, caused by the presence of de novo mutations of GRIN genes that encode for the N- methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) GluN subunits. Since NMDARs play a critical role in glutamatergic neurotransmission, their dysregulation results in a range of moderate to severe neurological disorders with a clinical spectrum including intellectual disability, locomotor alterations, epilepsy, gastrointestinal dysfunction and visual problems among others. This study focuses on generating zebrafish models of GRIN gene loss-of-function, specifically targeting GRIN1, GRIN2A, and GRIN2B homologous genes in zebrafish, to better understand the mechanisms underlying GRD pathophysiology and to evaluate potential therapeutic strategies. Along this Thesis we successfully developed and characterised an in vivo library of loss-of-function grin1a, grin1b, grin2Aa, grin2Ab, grin2Ba and grin2Bb zebrafish models, with the identification of GRD-like phenotypic abnormalities in a genotype-dependent manner. In addition to the deep-characterisation of these genetic models, we developed novel tools to assess GRD-related secondary alterations, such as gastrointestinal function distress and visual disturbances. Finally, using these models will allow us to conduct drug screening aimed at identifying compounds that can rescue NMDAR function. The identified compounds hold therapeutic potential not only for GRD patients but also for other conditions involving NMDAR dysfunction that are displaying comorbidities. In that sense, in parallel with the creation of zebrafish grin genetic models, an innovative and cost-effective platform to study genetic- based diseases with strong phenotypes (using epilepsy as proof-of-principle) and to perform large-scale drug screening was developed. Overall, the results from this Thesis are contributing to the development of novel, targeted therapies for NMDAR-related diseases.

[cat] El sistema de neurotransmissió glutamatèrgica és crucial per la funció cerebral, i la seva desregulació està relacionada amb diferents malalties neurològiques, incloent malalties del neurodesenvolupament, psiquiàtriques i neurodegeneratives. Recentment, estudis genètics d'alt rendiment en pacients amb encefalopaties idiopàtiques del desenvolupament han permès identificar els trastorns relacionats amb els gens GRIN (GRDs, de l’anglès, GRIN- related disorders). Les GRDs són un grup de malalties genètiques rares del neurodesenvolupament, causades per la presència de mutacions de novo en els gens GRIN, que codifiquen per a les subunitats GluN del receptor N-metil-D-aspartat (NMDAR). Atès que els NMDAR tenen un paper crític en la transmissió glutamatèrgica, la desregulació de la seva funció resulta en una sèrie de trastorns neurològics de moderats a greus, amb un espectre clínic que inclou discapacitat intel·lectual, alteracions locomotores, epilèpsia, disfunció gastrointestinal i problemes visuals, entre altres. Aquest projecte es centra en la generació de models de peix zebra amb pèrdua de funció dels gens GRIN, focalitzant-nos específicament als gens homòlegs grin1, grin2A i grin2B en peix zebra. Això ens permetrà entendre millor els mecanismes subjacents a la fisiopatologia de les GRDs, així com avaluar possibles estratègies terapèutiques. Al llarg d’aquesta tesi, hem desenvolupat i caracteritzat amb èxit una biblioteca in vivo de models de peix zebra amb pèrdua de funció dels gens grin1a, grin1b, grin2Aa, grin2Ab, grin2Ba i grin2Bb, identificant anomalies fenotípiques similars a les GRDs de manera dependent del genotip. A més de la caracterització d’aquests models genètics, hem desenvolupat noves eines per avaluar alteracions secundàries relacionades amb les GRDs, com ara trastorns de la funció gastrointestinal i alteracions visuals. Finalment, l'ús d'aquests models ens permetrà dur a terme un cribratge de fàrmacs orientat a identificar compostos capaços de restaurar la funció dels NMDARs Els compostos identificats tindran potencial terapèutic no només per als pacients amb GRD, sinó també per a altres malalties relacionades amb disfuncions dels NMDARs. En aquest sentit, paral·lelament a la creació dels models genètics GRIN en peix zebra, s’ha desenvolupat una plataforma innovadora i rendible per estudiar malalties genètiques amb fenotips robustos (utilitzant l’epilèpsia com a prova de concepte) i realitzar cribratges de fàrmacs a gran escala. En conjunt, els resultats d'aquesta tesi contribueixen al desenvolupament de noves teràpies dirigides per a malalties relacionades amb els NMDARs.