Developmental and Epileptic Encephalopathy 9 (DEE9, OMIM # 300088) is a debilitating neurological condition with no effective cure, characterized by early-onset seizures, intellectual disability and autism. DEE9 is due to mutations in the X-chromosome gene PCDH19 that encodes protocadherin-19 (PCDH19), a calcium dependent cell-cell adhesion molecule. We recently reported that PCDH19 undergoes an activity-dependent proteolytic cleavage that generates a cytosolic C-terminal fragment (CTF), which goes in the nucleus and regulates immediate-early genes expression in primary hippocampal neurons. The aim of this project is to study the role of PCDH19 on gene expression regulation in vivo in both physiological and pathological conditions and identify potential therapeutic targets for DEE9. To this end, we are exploiting the new conditional knock-out (cKO) mouse model for Pcdh19 that we recently generated through the Cre-LoxP system and that recapitulates key aspects of DEE9, including seizure susceptibility, cognitive deficits and autistic traits. We are using two complementary approaches: (i) we are looking for genes regulated by PCDH19 at genome-wide and single-cell level in both male and female cKO mice and control littermates at different developmental stages via single-nucleus RNA-Seq (snRNA-Seq); (ii) among all deregulated genes we aim to identify primary PCDH19 target genes based on PCDH19 CTF association pattern with the chromatin. In parallel, we are characterizing the oxytocin (OXT) system of Pcdh19 cKO mice. OXT is a promising treatment for neurodevelopmental disorders associated to autism and psychiatric features. Notably, it has been reported the OXT receptor (OXTR) expression is altered in primary skin fibroblasts of DEE9 patients, thus suggesting that OXTR might be one of the target genes of PCDH19. If defects in OXT system will emerge, mice will undergo intranasal OXT administration in attempt to ameliorate DEE9 symptoms. By pursuing the aforementioned goals we expect to provide a novel key to understand DEE9 pathological mechanisms and to identify new therapeutic targets and strategies.

Mutazioni nel gene PCDH19 causano una patologia del neurosviluppo, nota come encefalopatia epilettica e dello sviluppo 9 (DEE9), che colpisce soprattutto le bambine ed è caratterizzata da epilessia, autismo e disabilità cognitive (Dibbens et al., 2008). PCDH19 codifica per la proteina protocaderina-19, che è normalmente espressa sulla superficie dei neuroni e permette loro di interagire e formare i circuiti. Tuttavia, abbiamo scoperto che la protocaderina-19 riveste anche un ruolo inaspettato nel nucleo, dove è in grado di regolare l'espressione di alcuni geni importanti per l'eccitabilità neuronale e la plasticità sinaptica (Gerosa et al., 2022). Inoltre, è stato osservato che in alcune cellule cutanee dei pazienti affetti da DEE9 anche l'espressione del gene che codifica per il recettore dell'ossitocina è alterata (Tan et al., 2015). L'ossitocina è un neuropeptide importante per il comportamento cognitivo e sociale e rappresenta un trattamento promettente per i disturbi del neurosviluppo associati all'autismo e ai disturbi psichiatrici. Il nostro obiettivo è identificare, all'interno del genoma, tutti i geni regolati dalla protocaderina-19 e studiare il potenziale coinvolgimento del sistema dell'ossitocina nella patologia DEE9. A tal fine stiamo sfruttando un modello murino (il topo Pcdh19 KO) e tecnologie innovative per individuare i geni regolati da protocaderina-19 nei diversi tipi di neuroni e nelle diverse fasi dello sviluppo cerebrale sia nei maschi che nelle femmine. Inoltre, stiamo studiando il sistema dell'ossitocina nel topo Pcdh19 KO e, nel caso dovesse risultare difettoso, verificheremo l'efficacia del trattamento con ossitocina. Auspichiamo che questo progetto possa fornire una migliore comprensione della patologia e ci possa permettere di identificare nuovi bersagli e strategie terapeutiche per migliorare la condizione dei pazienti affetti da DEE9.

Dibbens et al. X-linked protocadherin 19 mutations cause female-limited epilepsy and cognitive impairment. Nat Genet. 2008 Jun;40(6):776-81. doi: 10.1038/ng.149. Epub 2008 May 11. PMID: 18469813; PMCID: PMC2756413. Gerosa at al. The epilepsy-associated protein PCDH19 undergoes NMDA receptor-dependent proteolytic cleavage and regulates the expression of immediate-early genes. Cell Rep. 2022 May 24;39(8):110857. doi: 10.1016/j.celrep.2022.110857. PMID: 35613587; PMCID: PMC9152703. Tan et al., Mutations of protocadherin 19 in female epilepsy (PCDH19-FE) lead to allopregnanolone deficiency, Human Molecular Genetics, Volume 24, Issue 18, September 2015, Pages 5250-5259, https://doi.org/10.1093/hmg/ddv245

DEVELOPMENTAL AND EPILEPTIC ENCEPHALOPATHY 9; DEE9

ENCEFALOPATIA EPILETTICA E DELLO SVILUPPO 9; DEE9