Understanding the impact of early microexon misregulation on zebrafish sleep/wake behaviour

Abstract

The developing nervous system requires a well-orchestrated and diverse set of proteins, setting the foundation of how an animal perceives the world. Disruptions may result in neurodevelopmental disorders, including autism spectrum disorders (ASD), with patients displaying altered sensitivity to their environment. A highly-conserved program of neuron-specific microexons (3-27 nucleotides) is frequently disrupted in ASD and known to shape protein-protein interactions during late neurogenesis, fine-tuning neuronal processes such as synapse formation. Little is known as to how misregulation of this program affects signalling cascades in the developing brain, shaping behaviour. Using zebrafish larvae, we set out to investigate this using a mutant of the microexon splicing master regulator srrm3. Performing single-cell and bulk RNA-sequencing experiments we found that microexon-harbouring genes are more frequently differentially expressed. Phenotypically, using zebrafish tracking and calcium imaging, we described ASD-like phenotypes including sensory hypersensitivity, hyperlocomotion and sleep loss accompanied by altered neuronal firing in srrm3 mutants. Coupling of behavioural and pharmacological assays allowed us to identify in mutants aberrant cAMP signalling, likely resulting in a downregulation of synaptic plasticity genes that could be rescued pharmacologically. Our research sheds new light onto the dynamics of the developing zebrafish nervous system in the context of microexon misregulation, with wider implications on the connection between brain state and behaviour.

El sistema nervioso en desarrollo requiere un conjunto bien orquestado y diverso de proteínas, que sientan las bases de cómo un animal percibe el mundo. Las interrupciones en este proceso pueden resultar en trastornos del neurodesarrollo, incluyendo los trastornos del espectro autista (ASD, por sus siglas en inglés), cuyos pacientes muestran una sensibilidad alterada a su entorno. Un programa altamente conservado de microexones específicos de neuronas (3-27 nucleótidos) se ve frecuentemente alterado en ASD y se sabe que modula las interacciones proteína-proteína durante la neurogénesis tardía, afinando procesos neuronales como la formación de sinapsis. Se sabe poco acerca de cómo la desregulación de este programa afecta las cascadas de señalización en el cerebro en desarrollo, moldeando los comportamientos. Utilizando larvas de pez cebra, nos propusimos investigarlo usando un mutante del regulador maestro del splicing de microexones, srrm3. Realizando experimentos de secuenciación de ARN a nivel de célula única y en bulk, encontramos que los genes que contienen microexones están más frecuentemente expresados de manera diferencial. Fenotípicamente, utilizando seguimientos de pez cebra de alta duración y técnicas de visualización de calcio, describimos fenotipos similares a los del ASD, incluyendo hipersensibilidad sensorial, hiperlocomoción y pérdida de sueño acompañados de una activación neuronal alterada en las mutantes srrm3. Una combinación de ensayos comportamentales y farmacológicos nos permitió identificar en los mutantes una señalización aberrante de cAMP, que probablemente resulta en una regulación negativa de genes de plasticidad sináptica que podría ser rescatada farmacológicamente. Nuestra investigación arroja nueva luz sobre las dinámicas del sistema nervioso en desarrollo del pez cebra en el contexto de la desregulación de microexones, con implicaciones más amplias en la conexión entre el estado cerebral y el comportamiento.