Subtype-specific deletion of Dnmt1 in cortical interneurons reveals differential contributions to murine behavior

Linde, Jenice Reimara Nicola; Spehr, Marc; Zimmer-Bensch, Geraldine Marion

doi:10.18154/RWTH-2026-01788

Subtype-specific deletion of Dnmt1 in cortical interneurons reveals differential contributions to murine behavior

Linde, Jenice Reimara Nicola^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jenice Linde, Master of Science

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Zimmer-Bensch, Geraldine Marion (Thesis advisor)^RWTH* ; Spehr, Marc (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-02-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-01788
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1028657/files/1028657.pdf

Einrichtungen

Projekte

GRK 2416 - GRK 2416: MultiSenses-MultiScales: Neue Ansätze zur Aufklärung neuronaler multisensorischer Integration (368482240) (368482240)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die funktionelle Integrität kortikaler Netzwerke ist essenziell für sensorische Verarbeitung, kognitive Leistungsfähigkeit und emotionale Regulation. In diesen Netzwerken spielen inhibitorische Interneurone eine entscheidende Rolle bei der Koordination des zeitlich präzisen neuronalen Aktivitätsmusters sowie bei der Stabilisierung kortikaler Oszillationen. Besonders wichtig sind dabei Interneurone, die Parvalbumin (PV) oder Somatostatin (SOM) exprimieren – beide tragen auf unterschiedliche Weise zur Netzwerkstabilität und Informationsverarbeitung bei. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass Störungen in der Entwicklung oder Funktion dieser Interneurone zu Defiziten kortikaler Netzwerke führen können. Solche Netzwerkstörungen werden zunehmend als ursächlich für verschiedene Hirnerkrankungen, insbesondere neuropsychiatrische und neuroentwicklungsbedingte Störungen, angesehen. Veränderungen in der Anzahl oder Funktion von PV- und SOM-Interneuronen konnten in Zusammenhang mit Schizophrenie, affektiven Störungen und Angststörungen gebracht werden, wobei die zugrunde liegenden Mechanismen divers sind. Unterschiede in der Anzahl oder Verteilung von Interneuronen können aus Störungen ihres Entwicklungsprogramms resultieren, was zu einem Ungleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung sowie zu gestörter Netzwerksynchronisation führen kann. Dies wiederum kann kognitive und emotionale Beeinträchtigungen zur Folge haben, die auf eine Instabilität kortikaler Netzwerke zurückzuführen sind. Zu den kognitiven Beeinträchtigungen zählen unter anderem Lern- und Gedächtnisstörungen, die auch ein gemeinsames Merkmal vieler neuropsychiatrischer Erkrankungen darstellen. Darüber hinaus stehen Entwicklungsstörungen von Interneuronen in engem Zusammenhang mit neuroentwicklungsbedingten Krankheitsbildern, was auf die besondere Vulnerabilität dieser Zellen in kritischen Phasen der Hirnreifung hinweist. Neuropsychiatrische und neuroentwicklungsbedingte Erkrankungen sind jedoch multifaktoriell bedingt und entstehen aus komplexen Wechselwirkungen genetischer, umweltbedingter und epigenetischer Faktoren. Diese vielschichtigen Ursachen unterstreichen die Bedeutung eines besseren Verständnisses darüber, wie epigenetische Mechanismen – wie etwa die durch DNA-Methyltransferasen katalysierte DNA-Methylierung – die Funktion von Interneuronen regulieren und somit zur Entstehung neuropsychiatrischer Erkrankungen beitragen können. Frühere Arbeiten unserer Forschungsgruppe haben die Relevanz der DNA-Methyltransferase 1 (DNMT1) für die Entwicklung und Funktion inhibitorischer Interneurone im murinen Kortex aufgezeigt. DNMT1 übt dabei sowohl entwicklungsphasen- als auch zelltypspezifische Effekte aus: In postmitotischen Interneuronen führt ein Verlust von DNMT1 während der Embryonalentwicklung zu tiefgreifenden Veränderungen, z. B. durch zelltypspezifische Beeinflussung von Migration, Morphologie oder Überleben der Zellen. In einem Mausmodell, das die Effekte eines Dnmt1-Verlusts in postmitotischen, SOM-positiven Zellen untersucht, zeigten sich durch DNA-methylierungsabhängige Veränderungen in der Interneuronenmigration während der Entwicklung strukturelle und funktionelle Veränderungen im Kortex adulter Tiere. Im Gegensatz dazu betrifft ein PV-expressionsabhängiger Dnmt1-Verlust vor allem die Funktion von Interneuronen im Erwachsenenalter, da der Expressionsbeginn – und damit auch der Dnmt1-Verlust – postnatal erfolgt. In einem Mausmodell mit GAD2-abhängigem Dnmt1-Knockout – wobei GAD2 weitreichend in allen Subtypen kortikaler Interneurone ab dem postmitotischen Entwicklungsstadium exprimiert wird – deuten vorläufige Daten auf eine mögliche Schicksalsveränderung mit vermehrter PV-Expression hin, obwohl Gesamtanzahl und Verteilung kortikaler Interneurone unverändert blieben. Dieses Mausmodell vereint somit möglicherweise Entwicklungs- und Funktionseffekte des DNMT1-Verlusts in Interneuronen. Die beschriebenen Mauslinien unterstreichen daher die Bedeutung der entwicklungsphasen- und zelltypspezifischen epigenetischen Kontrolle durch DNMT1 und ermöglichen die Untersuchung unterschiedlicher DNMT1-abhängiger Effekte auf zellulärer und systemischer Ebene. Zudem deuten neuere Erkenntnisse darauf hin, dass epigenetische Mechanismen, einschließlich durch DNMT1 vermittelte DNA-Methylierungen, durch das biologische Geschlecht beeinflusst werden können – etwa durch Interaktionen epigenetischer Schlüsselmoleküle mit Sexualhormonen. Auch neuropathologische Phänotypen unterliegen geschlechtsspezifischen Unterschieden, was auf eine mögliche Rolle geschlechtsspezifischer epigenetischer Regulation bei der Krankheitsausprägung hinweist. Die Verhaltensfolgen eines DNMT1-Verlusts in verschiedenen Interneuronentypen und bei beiden Geschlechtern sind jedoch bislang unzureichend verstanden und bedürfen weiterer Untersuchungen. In dieser Arbeit wurden daher mehrere transgene Mausmodelle mit gezielter Dnmt1-Deletion in GAD2-, PV- oder SOM-positiven kortikalen Interneuronen untersucht. Diese Analysen zeigten, dass der Verlust von Dnmt1 in PV- und SOM-Interneuronen männlicher Mäuse die kortikale Verarbeitung sensorischer Reize veränderte sowie die Gamma-Oszillationsstärke verringerte. Interessanterweise blieben die grundlegende sensorische Wahrnehmung in optomotorischen Tests sowie die Entscheidungsfindung in sensorischen Aufgaben unbeeinträchtigt. Stattdessen war die Dnmt1-Defizienz mit Anzeichen eines neuropsychiatrischen Phänotyps assoziiert. So zeigten Mäuse mit PV-spezifischer Dnmt1-Deletion Verhaltensauffälligkeiten, die auf erhöhte Apathie, Angst-ähnliches Verhalten und veränderte hedonische Bewertung hinweisen – Merkmale, die mit einem depressionsähnlichen Phänotyp übereinstimmen. Zur weiteren Untersuchung des funktionellen Einflusses von DNMT1 in kortikalen Interneuronen – insbesondere im Hinblick auf mögliche geschlechtsspezifische Unterschiede – wurden weibliche und männliche Mäuse in einer standardisierten Lern- und Gedächtnisaufgabe im Morris-Wasserlabyrinth (MWM) untersucht. Eine Dnmt1-Deletion in GAD2-positiven Interneuronen führte zu ausgeprägten Lern- und Umlern-Defiziten, wobei weibliche Tiere besonders starke Beeinträchtigungen zeigten. Im Gegensatz dazu beeinflusste eine PV-spezifische Deletion nicht das Lernvermögen, verbesserte jedoch das Umlernverhalten bei männlichen Mäusen, was auf eine gesteigerte kognitive Flexibilität hinweist. Die SOM-spezifische Dnmt1-Deletion zeigte keine geschlechtsspezifischen Effekte auf das Lernen, jedoch ebenfalls eine verbesserte Umlernleistung bei männlichen Tieren. Insgesamt unterstützen diese Befunde eine geschlechts- und zelltypspezifische Rolle von DNMT1 bei der Ausprägung murinen Verhaltens. Die beobachteten Veränderungen in kortikaler Netzwerkaktivität und Verhalten legen nahe, dass die Dnmt1-Expression in kortikalen Interneuronen ein potenzieller Mitverursacher pathologischer Symptome sein könnte und neue Forschungsansätze für therapeutische Strategien bei neuropsychiatrischen Erkrankungen eröffnet. Darüber hinaus unterstreichen diese Ergebnisse die Notwendigkeit, geschlechtsspezifische Unterschiede in zukünftigen Studien zur epigenetischen Regulation im Gehirn zu berücksichtigen.

The functional integrity of cortical networks is essential for proper sensory processing, cognitive performance, and emotional regulation. Within these networks, inhibitory interneurons play a pivotal role in coordinating the precise timing of neuronal activity and in stabilizing cortical oscillations. Among these, parvalbumin- (PV) and somatostatin-expressing (SOM) interneurons are particularly important, each contributing in distinct ways to network stability and information processing. Numerous studies have demonstrated that disruptions in the development or function of these interneurons can lead to deficits in cortical processing. These impairments are increasingly recognized to contribute to numerous brain pathologies, including neuropsychiatric and neurodevelopmental disorders. Altered numbers or functional defects of PV and SOM interneurons were shown to be implicated in schizophrenia, mood disorders and anxiety, although their contributions to these pathophysiologies follow different mechanisms. Differences in interneuron numbers and their distribution can arise from disturbances of their developmental program, leading to defects of the excitation/inhibition-balance and network synchrony that can entail cognitive and emotional disturbances due to cortical network instability. Among the cognitive impairments are, inter alia, disruptions of learning and memory formation, which also constitute a common defect in many neuropsychiatric disorders. Moreover, disturbances in interneuron development are strongly associated with neuro-developmental disorders, highlighting the vulnerability of these cells during critical periods of brain maturation. However, neuropsychiatric and neurodevelopmental disorders are multifactorial, arising from complex interactions between genetic, environmental, and epigenetic factors. These multifaceted origins underscore the importance of understanding how epigenetic mechanisms, such as DNA methylation catalyzed by DNA methyltransferases, contribute to the regulation of interneuron function and, by extension, the development of neuropsychiatric conditions.Previous work from our research group has underscored the essential role of the DNA methyltransferase 1 (DNMT1) in the development and function of inhibitory interneurons fated for the murine cortex. DNMT1 exerts stage-specific and subtype-specific effects: In early-born interneuron populations, Dnmt1 deletion was shown to lead to profound developmental alterations, e.g., by subtype-specifically affecting either the cells’ migration or morphology and survival. For instance, in a mouse model investigating the effects of Dnmt1-deletion in post-mitotic SOM-positive cells, DNA methylation-dependent changes in interneuron migration during development manifest in an altered cortical architecture and functionality of adult mice. In contrast, PV expression-dependent Dnmt1-depletion primarily affects adult interneuron function in mice as the expression onset – and thus also the Dnmt1-deletion – occurs postnatally. In a mouse model with a GAD2-dependent Dnmt1-knockout – with GAD2 being broadly expressed in all subtypes of cortical inhibitory interneurons starting at the post-mitotic developmental stage – preliminary data suggest a potential fate switch with more interneurons expressing PV, although the overall number and distribution of cortical interneurons remained unaltered. Thus, this mouse model possibly combines developmental and functional effects of the Dnmt1-deletion in interneurons. In sum, these mouse lines highlight the importance of stage- and subtype-specific DNMT1-mediated epigenetic control and enable the investigation of different DNMT1-dependent effects on cellular and systemic scales. Furthermore, emerging evidence suggests that various epigenetic mechanisms, including DNA methylations, are modulated by sex, e.g., via interactions of epigenetic key players with sex hormones. Similarly, neuropathological phenotypes are subject to sex-specific variations, suggesting a potential role of sex-specific modulation of epigenetic processes for disease manifestation. However, the behavioral consequences of DNMT1 loss across distinct interneuron subtypes and sexes remain incompletely understood and warrant further investigation. To address this, several transgenic mouse models with targeted Dnmt1 deletion in GAD2-, PV-, or SOM-positive cortical interneurons were investigated for this thesis. These analyses revealed that Dnmt1 deletion in PV and SOM interneurons of male mice altered cortical processing of sensory stimuli. This was reflected by a reduced temporal precision and amplitude of cortical responses, alongside a significant reduction in gamma oscillation power. Interestingly, behavioral data propose that basic sensory perception remained unaffected in both optomotor response and sensory decision-making tasks. Instead, Dnmt1-deficiency was associated with signs of neuropsychiatric phenotypes. In mice with a PV cell-specific Dnmt1-deletion we observed behavioral alterations suggestive of increased apathy, anxiety-like behavior, and altered hedonic valuation – features consistent with a depression-like phenotype. To further explore the functional impact of DNMT1 in cortical interneurons, including the aspect of potential sex-dependent variation, we tested male and female mice in a standardized learning, memory, and relearning task using the Morris water maze (MWM). Dnmt1 deletion in GAD2-positive interneurons led to marked impairments in both learning and relearning, with particularly severe deficits observed in female mice. In contrast, PV-specific deletion did not affect basic learning but improved performance in relearning of male mice, suggesting enhanced cognitive flexibility. SOM-specific Dnmt1-knockout showed no sex-specific effects on learning, yet male mice also exhibited improved relearning performances. Collectively, these findings support a sex- and cell type-specific role of DNMT1 in shaping murine behavior. The observed alterations in cortical network activity and behavior suggest that DNMT1 expression in cortical interneurons represents a potential facilitator of pathological symptoms, opening up new research avenues for novel therapeutic strategies of neuropsychiatric disorders. Furthermore, our results emphasize the importance of considering sex-specific differences in future studies on epigenetic regulation in the brain.

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