Role of the Sox2 and COUP-TF1 transcription factors in the development of the visual system by conditional knock-out in mouse

The transcription factor Sox2 is expressed in the nervous system from the beginning of its development where it is required for stem cells maintenance. In humans, Sox2 heterozygous mutations are linked to various central nervous system defects, including visual defects. The visual system is composed of the eye, the dorsolateral geniculate thalamic nucleus (dLGN) and the visual cortex, which are highly interconnected. The eye, in fact, sends retinal afferent to a specific dorsal thalamic nucleus, the dLGN, whose neurons in turn project to the visual cortical area. The visual cortex elaborates visual inputs and projects back to the dLGN in a complex circuit. Several genes are important for the correct development of the visual system and Sox2 is one of them. Sox2 is expressed in all the three components of the visual system in mouse; while its role in the development of the retina is well characterized little is known about its role in the thalamus. To investigate Sox2 requirement in the thalamus for the correct establishment of the visual axis, we generated a thalamic Sox2 conditional knock-out in post-mitotic neurons. We observed that Sox2 loss in the dLGN leads to a strong reduction in size of the dLGN, aberrant retino-geniculate, thalamo-cortical and cortico-thalamic neural projections and, consequently, to a defective patterning of the cortical visual area. We found that in Sox2 thalamic mutants the Efna5 gene, important in guiding retinal axons towards the dLGN, and the serotonin transporters encoding genes SERT and vMAT2, involved in the establishment of thalamo-cortical projections, are strongly downregulated in the mutant dLGN. To identify all the potential genes that could mediate Sox2 function in the thalamus, we performed RNA sequencing (RNA-seq) on control and Sox2 mutant dLGNs. We noticed that misregulated genes are enriched in genes encoding axon guidance molecules and molecules involved in neurotransmission and synapses. Interestingly, thalamic ablation of another transcription factor, COUP-TF1, leads to defects of the visual system similar to the ones described for Sox2. In addition, heterozygous mutations in the COUP-TF1 gene in human lead to optic atrophy and intellectual disabilities. Interestingly, we found that Sox2 and COUP-TF1 are co-expressed in the same post-mitotic neurons of the dLGN. Surprisingly, COUP-TF1 expression does not vary in Sox2 thalamic mutants, arising the possibility that Sox2 and COUP-TF have common target in the thalamus. Therefore, we looked at the expression, in COUP-TF1 mutants, of genes downregulated in Sox2 thalamic mutants and we surprisingly found that they appear upregulated, suggesting that the two transcription factors could act on the same genes but in an opposite way. To better understand if the two transcription factors regulate common genes, we are performing gene expression analyses by RNA-seq also on COUP-TF1 thalamic mutants, with the aim to identify an overlap with Sox2 regulated genes. Moreover, we are generating Sox2 and COUP-TF1 double mutant mice to unveil how these genes regulate gene expression; it is plausible that they regulate common genes to balance their expression in thalamic neurons.

Il fattore di trascrizione Sox2 è espresso nel sistema nervoso dall’inizio del suo sviluppo dove è richiesto per il mantenimento delle cellule staminali. Nell'uomo, le mutazioni eterozigoti di Sox2 sono collegate a vari difetti del sistema nervoso centrale, inclusi i difetti visivi. Il sistema visivo è composto dall'occhio, dal nucleo talamico genicolato dorsolaterale (dLGN) e dalla corteccia visiva, che sono altamente interconnessi. L'occhio, infatti, invia le afferenze retiniche ad uno specifico nucleo talamico dorsale, il dLGN, i cui neuroni a loro volta proiettano verso l'area corticale visiva. La corteccia visiva elabora input visivi e proietta al dLGN in un circuito complesso. Numerosi geni sono importanti per il corretto sviluppo del sistema visivo e Sox2 è uno di questi. Sox2 è espresso in tutti e tre i componenti del sistema visivo nel topo; mentre il suo ruolo nello sviluppo della retina è ben descritto si sa poco riguardo al suo ruolo nel talamo. Per studiare l’importanza di Sox2 nel talamo per il corretto sviluppo dell'asse visivo, abbiamo generato un knockout condizionale talamico di Sox2 nei neuroni post-mitotici. Abbiamo osservato che la perdita di Sox2 nel dLGN porta a una forte riduzione delle dimensioni del dLGN, all’alterazione delle proiezioni neuronali retino-talamiche, talamo-corticali e cortico-talamiche e, di conseguenza, a una difettiva definizione dell'area visiva corticale. Abbiamo scoperto che nei mutanti talamici di Sox2 il gene Efna5, importante nel guidare gli assoni retinici verso il dLGN, e i geni SERT e vMAT2 che codificano per trasportatori di serotonina, importanti per la corretta formazione di proiezioni talamo-corticali, sono fortemente sottoregolati nel dLGN mutante. Per identificare tutti i potenziali geni che potrebbero mediare la funzione di Sox2 nel talamo, abbiamo eseguito il sequenziamento dell'RNA (RNA-seq) su dLGN di controlli e mutanti di Sox2. Abbiamo scoperto che i geni deregolati sono arricchiti in geni che codificano per molecole importanti per la guida degli assoni e per molecole coinvolte nella neurotrasmissione e nelle sinapsi. È interessante notare che l'ablazione talamica di un altro fattore di trascrizione, COUP-TF1, porta a difetti del sistema visivo simili a quelli descritti per Sox2. Inoltre, le mutazioni eterozigoti nel gene COUP-TF1 nell'uomo portano all'atrofia ottica e a disabilità intellettive. Abbiamo scoperto che Sox2 e COUP-TF1 sono co-espressi negli stessi neuroni post-mitotici del dLGN. Sorprendentemente, l'espressione di COUP-TF1 non varia nei mutanti talamici di Sox2, facendo nascere la possibilità che Sox2 e COUP-TF abbiano target comuni nel talamo. Pertanto, abbiamo esaminato l'espressione, nei mutanti COUP-TF1, di geni sottoregolati nei mutanti talamici di Sox2 e sorprendentemente abbiamo scoperto che sembrano sovraregolati, suggerendo che i due fattori di trascrizione potrebbero agire sugli stessi geni ma in modo opposto. Per capire meglio se i due fattori di trascrizione regolano geni comuni, stiamo eseguendo l'analisi dell'espressione genica mediante RNA-seq anche sui mutanti talamici COUP-TF1. Inoltre, stiamo generando topi doppi mutanti per Sox2 e COUP-TF1 per scoprire come questi geni regolano espressione genica; è plausibile che regolino geni comuni per bilanciare la loro espressione nei neuroni talamici.