Rett syndrome, a devastating dominant X-linked neurodevelopmental disorder largely caused by Mecp2 mutations, features peculiar pathological traits that can easily be assimilated to the autistic spectrum (1, 2). Young affected girls stereotypes, loss of behavioral milestones including language and movement, and severe epileptic crises, seem to be related to defective control of the glutamatergic compartment (3). At the circuital level, indeed, decreased thresholds of excitatory neurons activation have been significantly associated to those behavioral traits that, mostly recapitulating human symptoms, characterize the murine models of the disease, among which the Bird's MeCP2Y/- mice (4). Within our research we described a physiological, cell autonomous epigenetic mechanism of glutamatergic homeostasis, potentially evolved to limit runaway excitation in the mammalian brain (5). The system is based on dynamic alternative splicing regulation of a transcriptional corepressor, Lysine Specific Demethylase 1 (LSD1). LSD1 restrains excitatory neuroplastic gene expression, negatively regulating both the Immediate Early Genes and relevant post-synaptic density effectors such as the SAP proteins, the AMPA receptors and PSD95 itself, limiting excitatory neurons excitability and protecting against seizures (6). The relative amount of LSD1 and its dominant negative splicing isoform neuroLSD1, including the microexon E8a -by definition, a facilitator of pro-excitatory neuroplastic programs-, contributes to the modulation of neuronal input/output ratios (5). Notably, neuroLSD1 isoform is overexpressed in MeCP2Y/- mice, potentially contributing to hyperexcitable profile (6). Within our project, we preliminarily demonstrated that genetically decreasing neuroLSD1 in the brain of MeCP2Y/- mice leads to a significant decrease of seizure susceptibility, with increased latency and reduced number of animals undergoing status epilepticus. Such a modification also impacts mortality, which is reduced by 2-fold.
We are currently implementing an exon E8a-skipping antisense oligonucleotide (AON-E8a)-based pharmacological approach to modify the relative ratio between LSD1 and neuroLSD1 in favor of LSD1. We consider this approach as potentially effective (also taking genetic data into account) in increasing the threshold of excitatory engagement thereby limiting brain excitability and targeting hyperexcitability of the Rett brain. Our first results, obtained by acute stereotaxic injection of AON-E8a in the central hippocampus of MeCP2Y/- mice uncovers a promising, preliminary amelioration of the locomotor activity, gait and general health of the model.
La sindrome di Rett rappresenta un devastante disordine del neurosviluppo ad ereditarietà X-linked. Largamente causata da mutazioni a livello del gene Mecp2, questa sindrome mostra tratti patologici peculiari, facilmente accomunabili allo spettro autistico. Le giovani pazienti mostrano stereotipie, perdita graduale del linguaggio e del movimento e severe crisi epilettiche, tutti sintomi ascrivibili ad un difettivo controllo del sistema neuronale eccitatorio. A livello dei circuiti cerebrali, una diminuita soglia di attivazione dei neuroni glutammatergici è stata convincentemente associata ai sintomi che, ricapitolando quelli delle pazienti, caratterizzano i modelli murini della malattia. Tra questi modelli vi sono i topi MeCP2Y/- generati nel laboratorio di Bird. Nel nostro Laboratorio abbiamo caratterizzato un sistema epigenetico fisiologico di omeostasi neuronale glutammatergica, evolutosi verosimilmente ai fini di proteggere i circuiti cerebrali da esagerata eccitabilità elettrica. Il sistema è basato sul complementare funzionamento delle due isoforme dell'enzima epigenetico Lysine Specific Demethylase 1 (LSD1) generate mediante un meccanismo di splicing alternativo. Rispettivamente le due isoforme LSD1 e neuroLSD1 (che include un tetrapeptide addizionale codificato dal esone E8a, ed è ristretta ai neuroni) coregolano negativamente e positivamente un programma di espressione genica che modula l'eccitabilità neuronale. Tra i geni target figurano fattori importanti per il funzionamento della sinapsi eccitatoria come gli Immediate Early Genes, le proteine SAP, PSD95 e i recettori ionotropici AMPA. Nel reprimere la trascrizione di questi geni, LSD1 protegge dalle crisi epilettiche. E' interessante notare come il modello murino MeCP2Y/- sovraesprima neuroLSD1, suggerendo che sbilancio tra le due isoforme contribuisca al profilo di aumentata suscettibilità epilettica. Con il nostro progetto abbiamo preliminarmente dimostrato che la diminuzione genetica di neuroLSD1 nel cervello del modello MECP2Y/- porta ad un significativo decremento della suscettibilità convulsiva, con aumentate latenze e diminuito numero di animali che sviluppano uno stato epilettico. Tale approccio ha inoltre dimostrato di ridurre la mortalità epilettica di due volte. Stiamo ora implementando un approccio farmacologico basato su oligonucleotidi antisenso (AON-E8a), mirato a contrastare l'inclusione dell'esone E8a, limitando l'espressione di neuroLSD1 rispetto ad LSD1. Consideriamo questo approccio potenzialmente efficace (anche tenendo conto dei dati genetici) nell'aumentare la soglia di attivazione dei circuiti eccitatori, limitando l'eccitabilità neuronale e trattando l'ipereccitabilità propria della sindrome di Rett. I nostri risultati, ottenuti mediante somministrazione stereotassica acuta del farmaco nell'ippocampo centrale dei topi MeCP2Y/-, mostrano un promettente, preliminare miglioramento della attività motoria, della postura e della salute generale del modello.
1. J. Guy, B. Hendrich, M. Holmes, J. E. Martin, A. Bird, A mouse Mecp2-null mutation causes neurological symptoms that mimic Rett syndrome. Nat Genet 27, 322-326 (2001).
2. R. E. Amir et al., Rett syndrome is caused by mutations in X-linked MECP2, encoding methyl-CpG-binding protein 2. Nat Genet 23, 185-188 (1999).
3. X. Xu, L. Pozzo-Miller, EEA1 restores homeostatic synaptic plasticity in hippocampal neurons from Rett syndrome mice. J Physiol 595, 5699-5712 (2017).
4. W. Li, X. Xu, L. Pozzo-Miller, Excitatory synapses are stronger in the hippocampus of Rett syndrome mice due to altered synaptic trafficking of AMPA-type glutamate receptors. Proc Natl Acad Sci U S A 113, E1575-1584 (2016).
5. A. Longaretti et al., LSD1 is an environmental stress-sensitive negative modulator of the glutamatergic synapse. Neurobiol Stress 13, 100280 (2020).
6. F. Rusconi et al., LSD1 Neurospecific Alternative Splicing Controls Neuronal Excitability in Mouse Models of Epilepsy. Cereb Cortex (2014).