The Williams Beuren Critical Region comprises several chromatin and transcription regulators. Copy number variations (CNV) of this region cause a paradigmatic pair of neurodevelopmental disorders. Deletions of 7q11.23 cause Williams-Beuren Syndrome (WBS), which features hypersociability, high language skills with respect to individuals with analogous cognitive abilities, and reduced craniofacial development; 7q11.23 duplication syndrome is instead characterized by language deficits, social withdrawal and autism spectrum disorder (7DupASD), and rather opposite craniofacial structures when compared to individuals with WBS.
We performed a thorough disease modeling of 7q11.23 CNV on patient-specific induce-pluripotent stem cells (iPSC) and derivative neuronal models, and extensively profiled them by imaging and electrophysiology. Thus, we were able to pinpoint molecular and cellular endophenotypes related to opposite patterns, such as increased and decreased intrinsic synaptic excitability in WBS and 7DupASD respectively. Then, we profiled the same tissues via omics approaches to reconstruct the regulatory processes underlying such endophenotypes, from the chromatin regulation layer to the transcriptional and translational ones. Finally, we developed an in silico reverse-engineering approach to dissect core transcriptional and proteomic pathogenic signals.
To prove the translational impact of our discovery, we reproduced key traits of sociability impairments of the two conditions in mice, and rescued the 7Dup social withdrawal phenotype, by repurposing a small molecule designed to cure specific types of cancer.
To corroborate our results and dissect the molecular basis of the two disorders in a human context, we devised a CRISPR-based perturbation experiment, in cortical brain organoids, to reconstruct - in an isogenic background- genetic interactions between disease genes and their effectors. To characterize the impact of these perturbations, we generated multi-layer networks composed of all the information generated by all our experiments and previous analyses. Multilayer interrogation allows us to prioritize drugs with a higher specificity, that enrich specific gene-regulatory paths linked both to transcriptional dysregulations and electrophysiological signatures, and to HPO phenotypes related to WBS and 7DupASD. The final aim of our project is to test such molecules on WBS and 7DupASD cortical brain organoids and to validate their effective ability to revert patient-specific WBS and 7DupASD endophenotypes.
Identificazione di meccanismi molecolari capaci di spiegare gli sbilanciamenti dell'attività elettrofisiologica dei neuroni derivati da pazienti con sindrome di Williams.
Il nostro laboratorio si occupa di studiare i meccanismi molecolari delle malattie del neurosviluppo. Questo progetto si concentra sulla sindrome Williams e sulla opposta sindrome duplicativa della regione Williams (anche detta sindrome 7Dup). La nostra attività è basata sull'utilizzo della riprogrammazione cellulare, che permette di prelevare con tecniche potenzialmente non invasive tessuti di pazienti, per generare cellule staminali paziente-specifiche in laboratorio. Queste cellule possono quindi essere utilizzate per generare neuroni e altri tessuti rilevanti per mimare e studiare in laboratorio le malattie genetiche del neurosviluppo e il comportamento dei tipi cellulari affetti nella malattia, senza agire direttamente su individui umani, e limitando la necessità della sperimentazione animale. Attraverso tecniche avanzate di sequenziamento del DNA e del RNA, combinati con avanzate tecniche di microscopia e test sull'attività elettrica dei neuroni generati in laboratorio, abbiamo potuto identificare i meccanismi di regolazione genica che sottendono gli sbilanciamenti elettrofisiologici identificati nei neuroni dei pazienti. In questo progetto, dopo aver identificato i meccanismi di regolazione genica compromessi nelle due malattie, abbiamo generato neuroni e organoidi di cervello - complessi tessuti che riproducono in vitro la struttura della corteccia cerebrale - per studiare il collegamento tra la compromissione della regolazione genica e una delle principali funzioni neuronali : la loro attività elettrica. Identificati questi meccanismi, abbiamo utilizzato tecnologie CRISPR per modificare individualmente l'attività regolativa di singoli geni direttamente resposabili delle funzioni neuronali compromesse nelle cellule derivate dai pazienti. I dati prodotti dal sequenziamento delle cellule generate in questi esperimenti sono stati trasformati in modo da poter essere messi in relazioni con banche dati rilevanti, che raccolgono informazioni sulla associazione di geni con tratti fisici e caratteriali tipici delle malattie studiate. Questo lavoro informatico ha permesso di comprendere molto più nel dettaglio le conseguenze dirette delle mutazioni che causano queste malattie. Essendo queste malattie causate dalla perdita o accumulazione di copie sovrannumeriche dei geni della regione Williams, questo lavoro ha permesso di ricostruire la responsabilità e la funzione di ciascun gene della regione Williams nel gererare i caratteristici tratti della malattia. Insieme a questo lungo lavoro di caratterizzazione funzionale, abbiamo potuto testare dei farmaci capaci di ristabilire il corretto funzionamento dei neuroni in vitro, e abbiamo anche potuto verificarne la capacità di migliorare il comportamento sociale di topi recanti la mutazione di GTF2I, un gene cruciale in queste malattie.