Weaver syndrome (WS) is a rare, multisystem disorder. WS is characterized by pre- and post-natal overgrowth, macrocephaly and a variable degree of intellectual disability.
WS genetic cause was identified in heterozygous mutations in polycomb repressive complex 2 (PRC2) which catalyzes the methylation of lysine 27 on histone 3 (H3K27), promoting transcriptional repression during corticogenesis.
However, our knowledge on the impact of the heterozygous mutations causing WS on the landscape of H3K27 tri-methylation and on the transcriptome is still incomplete and several questions remain unsolved. To gain insight in molecular circuits underpinning the WS phenotype, we profiled at the transcriptomic and epigenomic level our cohort of patient-derived cortical brain organoids (CBOs) that comprises more than fifty organoid samples cultivated up to 100 days.
The intersection of differentially expressed genes (DEGs) between WS-CBOs and control CBOs, H3K27me3 ChIP-seq peaks, and DNA methylation profiles, revealed a dysregulation in cortical neuronal maturation and neuronal migration processes at day 25 and day 50 of differentiation.
This finding is consistent with clinical data from WS patients, whose MRI profiles show pachygyria due to an alteration of the cortical development in late stages of neuronal migration.
Therefore, to validate the transcriptional endophenotype of altered migration, we set up a 24-hour time-lapse experiment to analyze the migration of differentiating neural progenitors and neurons.
Among DEGs, AJAP1 is one of the most significantly and strongly upregulated in WS-CBOs. AJAP1 is an adherens junction associated protein that interacts with β-catenin in the E-cadherin-catenin complex and is involved in cell migration and differentiation. Therefore, to elucidate the role of AJAP1 in WS, we established a CRISPRa/CRISPRi experiment: by upregulating the expression of AJAP1 in CTL-CBOs and by downregulating it in WS-CBOs, we aim to revert the phenotype in patients and recapitulate it in controls.
In conclusion, our findings support a dysregulation of migration throughout corticogenesis due to PRC2 heterozygous mutations in CBOs and we show that CBOs allow a fine characterization of the molecular features of neurodevelopmental disorders, providing the framework for therapeutic targeting.
Studio dei meccanismi biologici alla base della Sindrome di Weaver tramite l'uso di tipi cellulari neurali derivati da paziente
La sindrome di Weaver è una malattia genetica rara. I pazienti affetti dalla sindrome di Weaver sono caratterizzati da un'eccessiva crescita associata ad un iper-sviluppo del cranio. Inoltre, i pazienti presentano livelli variabili di disabilità intelletiva.
La sindrome di Weaver è una malattia genetica autosomica dominante, a insorgenza per lo più sporadica. Questo significa che una mutazione, che si manifesta in modo casuale, in una sola copia del gene del paziente, può essere sufficiente per causare la malattia.
Per studiare a fondo le cause della disabilità intellettiva tipica di questa malattia, abbiamo utilizzato cellule staminali derivate da pazienti per ottenere organoidi cerebrali, ovvero strutture tridimensionali che ricapitolano i vari stadi di sviluppo del cervello embrionale. Gli organoidi cerebrali derivati da cellule di paziente permettono di studiare le caratteristiche specifiche del paziente senza ricorrere all'utilizzo di modelli animali.
Da questi organoidi cerebrali è stato possibile ottenere l'insieme degli RNA messaggeri (mRNA) che vengono espressi nella corteccia durante le prime fasi dello sviluppo cerebrale. Analizzare l'espressione degli mRNA risulta particolarmente importante per questo progetto, poiché le mutazioni che causano la sindrome di Weaver portano al malfunzionamento della proteina Ezh2 che a sua volta porta alla scorretta regolazione di geni importanti per lo sviluppo e la crescita.
Grazie a questi dati abbiamo scoperto difetti nella maturazione dei neuroni e nei processi di migrazione neuronale negli organoidi cerebrali derivati da paziente. Questi dati sono in linea con dati clinici di pazienti, le cui risonanze magnetiche mostrano difetti di migrazione neuronale nelle fasi finali dello sviluppo corticale.
In conclusione, i nostri dati mostrano difetti nella migrazione neuronale durante lo sviluppo della corteccia cerebrale in organoidi cerebrali derivati da cellule di paziente e dimostrano come gli organoidi cerebrali possano permettere un'analisi fine dei meccanismi biologici alla base dei disturbi del neuro-sviluppo.