PRR12 is a recently identified gene whose haploinsufficiency causes a syndrome associated with developmental delay, intellectual disability, autism spectrum disorder (ASD) and eye abnormalities (Leduc et al., 2018; Reis et al., 2020, Chowdhury et al., 2021).
In this project, we plan to investigate the molecular mechanisms underlying the pathogenic effects of PRR12 haploinsufficiency. To this aim, we will analyze the molecular, cellular and behavioral phenotypes of mouse and zebrafish lines harboring heterozygous loss-of-function Prr12 mutations, also testing selected data obtained from human neural progenitor cells.
During the first months of this newly started project, we confirmed our preliminary results indicating a direct interaction between PRR12 and SOX2. As mutations in these two genes cause similar neurodevelopmental syndromes, and since PRR12 is a paralog of QSER1, a potent regulator of DNA demethylation, we will test if PRR12 might play a role in promoting DNA demethylation on Sox2 target genes. Furthermore, future experiments will assess genome-wide changes in gene expression, chromatin accessibility and DNA methylation in wild type versus PRR12-mutated human neural progenitor cells derived from iPS cells. In the same cells we will evaluate PRR12 and SOX2 chromatin occupancy and the ability of PRR12 to form condensates, as predicted by our protein structure analysis.
We cloned the PRR12 mouse ortholog tagged with GFP in a lentiviral vector and transduced Hek293 cells and mouse primary neuronal cultures. In both cell types, PRR12-GFP was found specifically localized in nuclei and virtually excluded by the cytoplasm. Analysis of single cell RNA-sequencing datasets of developing mouse and human brain at different stages inferred that PRR12 is widely expressed in multiple neuronal lineages with an enrichment in proliferative neuroprogenitor cells. We have also generated a targeting vector to produce a conditional Prr12 mutant mouse line and embryonic stem cells have been screening to select the desired homologous recombination event. At the same time, we cloned the zebrafish homologues of PRR12 and determined the spatio-temporal expression pattern of Prr12a. We found that this gene is expressed in the developing neural system since its initial specification and displays an antero-posterior expression gradient that becomes evident from 24 hours post fertilization. Prr12a expression persists in several areas of the zebrafish adult brain including areas corresponding to ASD-affected regions (Rea and Van Raay, 2021). Current experiments are aimed at characterizing zebrafish prr12 mutants. Overall, this work is expected to gain new molecular insights on the disease and to establish human iPSCs, mouse and zebrafish models of PRR12 haploinsufficiency that will provide complementary information in the proposed and in future experiments.
ANALISI DEI MECCANISMI PATOLOGICI DELL'INATTIVAZIONE DEL GENE PRR12 RESPONSABILE DELLE ALTERAZIONI DELLO SVILUPPO NEUROLOGICO E DELL'OCCHIO.
Le patologie del neurosviluppo sono una classe di patologie che colpiscono lo sviluppo e funzioni del cervello, e rappresentano un grave problema sociale in tutti i paesi. Queste patologie includono una grande varietà di malattie rare con eziologia eterogenea e condividono deficit che portano a disabilità cognitive, della comunicazione, comportamento adattivo ed abilità psicomotorie compromesse. Queste condizioni patologiche sono spesso associate a una varietà di problemi clinici tra cui ritardo dello sviluppo, difetti craniofacciali e disturbi oculari e la loro eterogeneità pone molte limitazioni a un approccio terapeutico efficace. Tuttavia, i recenti progressi biotecnologici nella capacità di scoprire nuovi geni e di associare il loro malfunzionamento a malattie specifiche hanno accelerato l'identificazione delle cause genetiche di diverse sindromi dello sviluppo neurologico. Una nuova causa scoperta recentemente dei disturbi dello sviluppo neurologico è l'inattivazione parziale (aploinsufficienza) di PRR12, un gene la cui funzione non è stata ancora caratterizzata. L'obiettivo del nostro progetto è quello di comprendere il ruolo di PRR12 nelle cellule neuronali, permettendo così l'identificazione dei meccanismi molecolari coinvolti nella patologia. Nei primi mesi di questo progetto recentemente avviato, abbiamo confermato i nostri dati preliminari sull'interazione tra PRR12 e SOX2, un gene la cui aploinsufficienza causa un'altra sindrome dello sviluppo neurologico, e i nostri studi in corso permetteranno di capire le somiglianze e differenze nei loro meccanismi d'azione. Abbiamo inoltre iniziato a mettere a punto sistemi che riproducono l'aploinsufficienza di PRR12 in colture di cellule staminali, nel topo e nel pesce zebra, modelli animali ampiamente utilizzati nella ricerca biomedica. L'analisi integrata di questi complementari sistemi modello fornira' preziose informazioni per la comprensione dei meccanismi molecolari alla base dell'aploinsufficienza di PRR12 e per la progettazione di nuovi futuri interventi terapeutici.
Chowdhury F, et al., Haploinsufficiency of PRR12 causes a spectrum of neurodevelopmental, eye, and multisystem abnormalities. Genet Med. 2021 Jul;23(7):1234-1245. doi: 10.1038/s41436-021-01129-6.
Leduc MS et al., De novo apparent loss-of-function mutations in PRR12 in three patients with intellectual disability and iris abnormalities. Hum Genet. 2018 Mar;137(3):257-264. doi: 10.1007/s00439-018-1877-0.
Rea V and Van Raay TJ. Using Zebrafish to Model Autism Spectrum Disorder: A Comparison of ASD Risk Genes Between Zebrafish and Their Mammalian Counterparts. Front Mol Neurosci. 2020 Nov 11;13:575575. doi: 10.3389/fnmol.2020.575575.
Reis LM et al., Dominant variants in PRR12 result in unilateral or bilateral complex microphthalmia. Clin Genet. 2021 Mar;99(3):437-442. doi: 10.1111/cge.13897