Prader-Willi Syndrome (PWS) is a neurodevelopmental disorder caused by genetic defects within a locus on chromosome 15 (15q11-q13), in which the loss of expression of paternally inherited genes (PEGs) causes severe symptoms, including neurodevelopmental delays, hyperphagia, and obesity, as well as various disturbances in the rhythms of sleep and wakefulness. In particular, Obesity in PWS is associated with feeding behavior anomalies and an imbalance between adipose and lean tissue in favor of increased adiposity. We have identified a novel mechanism involved in the nuclear pore functions, which promises to reveal how the cellular mechanisms in Prader-Willi Syndrome (PWS) might lead to obesity. Particularly, within the human PWS locus, we focused on the role of the human specific nuclear pore complex-associated protein 1 (NPAP1).
We conducted a genomic analysis for positive selection by comparing genomes of non-human primates and ancient and modern humans. Our analysis revealed SNPs variants of the NPAP1 gene between modern humans (derived alleles) and the orthologous sequence of the Neanderthal and Chimpanzee (ancestral allele). We identify three different NPAP1 haplotypes: the high frequent variants WET, the completely derived WQT, and the ancestral REP variant with negligible frequency in the human population. Our preliminary analysis revealed that serum-starved fibroblast-derived adipocytes obtained from the Snord116m+/p- PWS mouse model overexpressing the WET haplotype increased lipid accumulation compared to the control and the other two NPAP1 haplotypes. Moreover, the overexpression of WET NPAP1 in synchronized fibroblast from Snord116m+/p- mice showed disruption in the oscillation of some circadian genes such as Dbp and Per2.
As suggested from 3D modeling, the conformational changes of the WET protein may be determinants for altered dynamics in lipid accumulation and circadian homeostasis. We hypothesize that the obesity phenotype of PWS patients results from altered cross-regulation between SNORD116 and WET NPAP1 haplotype anomalously expressed from the maternal allele. To reveal the mechanisms of lipid accumulation and the circadian regulation driven by the SNORD116-NPAP1 relationship, we are analyzing the effect of SNORD116 on NPAP1 mRNA, protein, and molecular complexes in vitro. Furthermore, we generated a novel, humanized, mouse model encoding NPAP1 in the orthologous region of the PWS mouse locus. The analysis of the mouse phenotype is currently ongoing in our lab in the areas of metabolism, including feeding and energy homeostasis, and measurements of metabolic and circadian phenotypes. This mouse model will be instrumental in designing a treatment strategy based on our novel developed target-specific epigenetic writer to suppress NPAP1 on the maternal allele.
Studio di varianti genetiche ancestrali coinvolte nella malattia di Prader-Willi
La sindrome di Prader-Willi (PWS) è una malattia genetica rara dello sviluppo causata da delezione del locus 15q11-q13 trasmessa dal padre, da una disomia materna o, molto raramente, da difetti dell'imprinting nella stessa regione. I sintomi della PWS comprendono ritardi nel neurosviluppo, iperfagia e obesità, nonché alterazioni del ritmo sonno-veglia. In particolare, l'obesità è associata a una alterazione dei comportamenti che coinvolgono l'alimentazione e un arcato aumento del tessuto adiposo. Recentemente, il nostro laboratorio ha identificato un nuovo meccanismo che coinvolge la proteina associata al poro nucleare 1 (NPAP1). Il gene di questa proteina, che è presente solo nell'uomo, potrebbe essere coinvolto nella alterata regolazione dell'adipogenesi che caratterizza la PWS
Comparando il genoma dell'Homo Sapiens a quello del Neanderthal e dello scimpanzé, abbiamo identificato dei polimorfismi del gene NPAP1 che potrebbero derivare da un adattamento all'alimentazione durante le migrazioni delle popolazioni umane ancestrali e che potrebbero essere coinvolte nella sintomatologia della PWS legata all'obesità. In particolare abbiamo identificato 3 varianti: una variante ancestrale presente nel Neanderthal e nei primati non umani, una variante mista presente nel 40% della popolazione mondiale, e una variante moderna presente nel restante 60%.
In modelli di topo PWS caratterizzati dalla delezione di SNORD116, che rappresenta la delezione minima capace di manifestare la malattia, le diverse varianti di NPAP1 hanno mostrato di regolare in modo differente la capacità di accumulo lipidico delle cellule. Le nostre analisi suggeriscono che la variante moderna contribuisce a rallentare lo sviluppo delle cellule adipocitarie e rallenta l'accumulo di lipidi da parte delle cellule. Al contrario, la variante mista provoca un aumento della capacità di internalizzazione dei lipidi da parte del tessuto adiposo. Per identificare il ruolo di NPAP1 nella PWS, abbiamo generato un nuovo modello animale caratterizzato dalla presenza del gene umano nel locus omologo del genoma del topo. Questo nuovo topo verrà incrociato con i animali già utilizzati nello studio della PWS per generare un modello più efficace per lo studio di questa malattia. Inoltre, questo modello ci permetterà di investigare nuove strategie terapeutiche basate sull'utilizzo di modificatori epigenetici target-specifici recentemente sviluppati nel nostro laboratorio
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