The activity of BAF complexes ensures forebrain development and brain patterning

Abstract

Proper brain formation during neurodevelopment relies on tightly regulated gene expression, orchestrated by factors such as the ATP-dependent BAF chromatin remodelling complexes. These complexes are essential for ensuring the timely and accurate activation of trans-criptional programs. Mutations in BAF complex subunits are linked to neurodevelopmental disorders, including Coffin-Siris Syndrome, Nicolaides-Baraitser Syndrome, Autism Spectrum Disorder, and schizophrenia. Despite their significance, the molecular mechanisms by which BAF complex dysfunction disrupts neurodevelopment remain poorly understood. To address this, human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) were differentiated into brain organoids and subjected to temporary treatment with a BAF complex inhibitor targeting the ATPases SMARCA2 and SMARCA4 at different developmental stages. This approach enabled stage-specific and comprehensive analyses of organoid morphology, gene expression (RNA-seq), chromatin accessibility (ATAC-seq, CUT&Tag), protein localization (immunofluorescence), and single-cell dynamics (snRNA- and snATAC-seq) after inhibition of the BAF chromatin remodelling activity. The results revealed distinct, stage-specific roles of BAF complexes in neurodevelopment, with the most severe effects observed in early neurodevelopmental stages (day 0–12). Early inhibition (day 0–6) resulted in severe disruption of forebrain identity, a shift towards caudal brain regions, disorganized outgrowths, and altered morphology. Inhibition from day 6–12 caused milder defects, including an increase in dorsal telencephalic subtypes, subtle caudalisation, and enlarged neural rosettes. Both phenotypes were linked to irreversible dysregulation of critical signalling pathways, including WNT, YAP, NOTCH, and BMP — key regulators of brain patterning, neural subtype specification, and axonogenesis. This dysregulation was evidenced by changes in gene expression and chromatin landscapes of signalling pathway genes, their targets, and other patterning and cell fate specification genes. Additionally, ARID1B-mutated hiPSC-derived brain organoids displayed altered chromatin accessibility in regions associated with neurodevelopment, providing insights into subunit-specific effects. Notably, the ZIC1 and ZIC4 gene loci were consistently dysregulated following BAF complex inhibition and in the ARID1B-mutated model system, suggesting that these ZIC genes are commonly deregulated upon different BAF complex perturbations. In conclusion, this study highlights the critical, stage-specific functions of BAF complexes in neurodevelopment. By modulating chromatin accessibility and signalling pathways, BAF complexes regulate brain patterning and neural subtype specification. These findings enhance the understanding of how BAF complex dysfunction contributes to neurodevelopmental disorders and provide a foundation for future therapeutic strategies.

Die Entwicklung des Gehirns erfordert eine präzise Kontrolle der Genexpression, die unter anderem durch die ATP-abhängigen BAF Chromatin-Remodellierungs-Komplexe vermittelt wird. Diese Komplexe sind entscheidend für die Aktivierung transkriptioneller Programme und spielen eine zentrale Rolle in zahlreichen Entwicklungsprozessen. Insbesondere die neuronale Entwicklung ist anfällig für Mutationen in BAF-Komplex-Untereinheiten, die mit Erkrankungen wie dem Coffin-Siris-Syndrom, dem Nicolaides-Baraitser-Syndrom, Autismus-Spektrum-Störungen und Schizophrenie assoziiert sind. Zur Untersuchung der kontextabhängigen Funktionen dieser Komplexe während der Entwicklung des menschlichen Gehirns wurden humane induzierte pluripotente Stammzellen zu Gehirnorganoiden differenziert und in verschiedenen Entwicklungsstadien mit einem Inhibitor behandelt, der die SMARCA2- und SMARCA4-ATPasen der BAF Komplexe blockiert. Diese Methode ermöglichte stadienspezifische, sowie umfassende Analysen morphologischer Veränderungen, transkriptioneller Veränderungen (RNA-Seq), Chromatinmodifikationen (ATAC-seq, CUT&Tag-seq), Proteinlokalisierungen mittels Immunfluoreszenzfärbung und Einzelzelldynamiken (snRNA- und snATAC-seq) nach Störung der BAF Chromatinremodellierungsaktivität. Die Ergebnisse zeigten, dass die BAF-Komplexe stadienspezifische Funktionen erfüllen, wobei die schwerwiegendsten Effekte in frühen Entwicklungsphasen (Tag 0–12) auftraten. Eine Hemmung in den Tagen 0–6 führte zu einer starken Beeinträchtigung der Vorderhirnidentität, einer Verschiebung hin zu kaudalen Gehirnregionen sowie veränderten morphologischen Eigenschaften. Eine spätere Hemmung (Tag 6–12) verursachte eine Zunahme dorsaler telencephaler Zelltypen und eine milde Kaudalisierung. Beide Phänotypen waren durch eine irreversible Dysregulation zentraler Signalwege wie WNT, YAP, NOTCH und BMP geprägt, die essentiell für die Gehirnregionalisierung sind. Zusätzlich wiesen ARID1B-mutierte Organoide eine veränderte Chromatinzugänglichkeit auf, insbesondere an den ZIC1- und ZIC4-Genloci. Dies deutet darauf hin, dass diese Regionen bei verschiedenen Störungen der BAF-Komplexe dereguliert werden. Zusammenfassend belegen die Ergebnisse, dass BAF-Komplexe stadienspezifische Funktionen während der neuronalen Entwicklung ausüben. Diese beruhen auf der Regulation der Chromatinzugänglichkeit in Genregionen, die für die Regionalisierung und Zellspezifikation wichtig sind, sowie der Koordination zentraler Signalwege, die diese Prozesse steuern. Die gewonnenen Erkenntnisse bieten neue Einblicke in die Mechanismen neuroentwicklungsbedingter Störungen und eröffnen Perspektiven für potenzielle therapeutische Ansätze.