Neurodevelopmental disorders (NDD) affect more than 3% of the worldwide population and are characterized by the inability to reach cognitive, emotional, and motor developmental milestones. Intellectual Disability (ID) and Microcephaly (MC) are often concomitant phenotypes. A set of gene mutations causing ID and/or MC lead to altered cytoskeleton dynamics caused by altered signalling in the Rho GTPase RAC1 pathway. This is the case of TRIO and ARHGEF6/α-PIX, two RAC1 activators. The lack of reliable models to study human neuronal development, and thus stage- and region-specific protein functions, limits our knowledge of cellular mechanisms that finely control key developmental steps, especially in the context of the ID and MC. This in turn hampers the possibility to test rescuing strategies in a reliable way. To address this, we are implementing two parallel strategies: A. We have generated human iPSC - derived cell models (i.e., radial glial cells and dorsal-forebrain post-mitotic neurons) to recapitulate the neurodevelopmental process, by introducing TRIO and ARHGEF6 disrupting mutations. We are currently investigating mitotic parameters, cell organization and polarity, differentiation, and network formation in vitro. B. We are attempting to achieve a GTPase-specific, modest and controlled positive re-modulation of RAC1 activity in the mutant context, by using a peptide sequence designed on the interaction pocket of RAC1 with its endogenous inhibitors (i.e., GAP proteins), and thus able to interfere. Such compounds will be tested in the aforementioned human cell models as well as in vivo in Arhgef6 Y/- mice, representing a valid model of X-linked ID.

Titolo: Il ruolo della GTPasi RAC1 nella disabilità intellettiva e nella microcefalia: una ricerca sul meccanismo patologico e sulla possibilità di correzione mediante interferenza peptidica. I disturbi del neurosviluppo colpiscono oltre il 3% della popolazione causando ritardo o deficit della crescita motoria, cognitiva ed emotiva. Alcune mutazioni geniche causano Disabilità Intellettiva (DI) e Microcefalìa (MC), spesso in concomitanza, alterando il delicato controllo della dinamica del citoscheletro di actina in seguito a una disregolazione di proteine appartenenti alla famiglia delle Rho GTPasi (ex. RAC1). Tra queste mutazioni si annoverano quelle a carico dei geni TRIO e ARHGEF6/α-PIX, due noti attivatori di RAC1. In assenza di modelli affidabili per lo studio dello sviluppo del cervello umano, ad oggi ci mancano le conoscenze sull'attività specifica di questi geni e sui meccanismi patofisiologici. Tale mancanza ha finora impedito di testare delle strategie di ripristino della funzione enzimatica. Per ovviare a ciò stiamo attuando due strategie parallele: A. Abbiamo ingegnerizzato cellule umane pluripotenti con le mutazione-malattia nei geni TRIO e ARHGEF6. Partendo da queste nuove linee cellulari, otteniamo progenitori neurali e neuroni maturi sui quali studiamo meccanismi di divisione cellulare, di organizzazione, e le proprietà di attività elettrica. B. Testiamo nuove strategie di ri-attivazione della GTPasi RAC1 disegnando piccoli peptidi interferenti con gli inibitori endogeni della proteina. peptide Specificatamente, questi peptidi verranno testati sui nostri modelli-malattia in vitro, come anche su animali Arhgef6Y/- , che presentano il difetto DI.

Zamboni V, Jones R, Umbach A, Ammoni A, Passafaro M, Hirsch E, Merlo G (2018) Rho GTPases in intellectual disability: from genetics to therapeutic opportunities. Int. J. Molecular Sciences 19(6) pii: E1821. doi: 10.3390/ijms19061821 Kutsche K, Yntema H, Brandt A, Jantke I, Nothwang HG, Orth U, et al. (2000) Mutations in ARHGEF6, encoding a guanine nucleotide exchange factor for Rho GTPases, in patients with X-linked mental retardation. Nat. Genet. 26, 247-50 Ramakers GJ, Wolfer D, Rosenberger G, Kuchenbecker K, et al. (2012) Dysregulation of Rho GTPases in the αPix/Arhgef6 mouse model of X-linked intellectual disability is paralleled by impaired structural and synaptic plasticity and cognitive deficits. Hum. Mol. Genet. 21, 268-86. Liaci C, Camera M, Rando S, Caslini G, Contino S, Romano V, Merlo G (2021) Neuronal cytoskeleton in intellectual disability: from systems biology and modeling to therapeutic opportunities. Int. J. Molecular Sci., 22(11), 6167. doi: 10.3390/ijms22116167

Intellectual Disability X-linked, MRX46

Disabilità Intellettiva X-linked, MRX46