Epigenetic mechanisms in the normal brain development and in a neuropathological condition: the Rett syndrome

La regolazione della trascrizione genica avviene a diversi livelli, dal DNA alle proteine, per mezzo di svariati meccanismi. Il rimodellamento della cromatina è implicato nell’attivazione o nella repressione di sequenze all’interno dei cromosomi. Tale rimodellamento si attua tramite metilazione del DNA e modificazioni postraduzionali degli istoni, generalmente note come modificazioni epigenetiche. ella prima parte ci siamo concentrati sullo studio degli effetti delle modificazioni epigenetiche sullo sviluppo del sistema visivo, prendendolo come paradigma di sviluppo del sistema nervoso in condizioni normali. In questo contesto, abbiamo analizzato come i meccanismi epigenetici siano in grado di regolare la plasticità visiva anche nell’animale adulto. Nella seconda parte di questo studio ci siamo focalizzati su una malattia umana: la sindrome di Rett, un esempio di patologia del cervello causata da un’alterazione della regolazione dei meccanismi epigenetici

Inflammatory lung disease in Rett syndrome

Rett syndrome (RTT) is a pervasive neurodevelopmental disorder mainly linked to mutations in the gene encoding the methyl-CpG-binding protein 2 (MeCP2). Respiratory dysfunction, historically credited to brainstem immaturity, represents a major challenge in RTT. Our aim was to characterize the relationships between pulmonary gas exchange abnormality (GEA), upper airway obstruction, and redox status in patients with typical RTT (n = 228) and to examine lung histology in a Mecp2-null mouse model of the disease. GEA was detectable in 80% (184/228) of patients versus 18% of healthy controls, with "high" (39.8%) and "low" (34.8%) patterns dominating over "mixed" (19.6%) and "simple mismatch" (5.9%) types. Increased plasma levels of non-protein-bound iron (NPBI), F2- isoprostanes (F2-IsoPs), intraerythrocyte NPBI (IE-NPBI), and reduced and oxidized glutathione (i.e., GSH and GSSG) were evidenced in RTT with consequently decreased GSH/GSSG ratios. Apnea frequency/severity was positively correlated with IE-NPBI, F2-IsoPs, and GSSG and negatively with GSH/GSSG ratio. A diffuse inflammatory infiltrate of the terminal bronchioles and alveoli was evidenced in half of the examined Mecp2-mutant mice, well fitting with the radiological findings previously observed in RTT patients. Our findings indicate that GEA is a key feature of RTT and that terminal bronchioles are a likely major target of the disease. \ua9 2014 Claudio De Felice et al

Mapping pathological phenotypes in a mouse model of CDKL5 disorder.

open14sihe research was supported by EMBL (E.A. and C.T.G.), the Italian Telethon Foundation (grant GGP09196, T.P. and M.G.; grant GGP10162, E.C., T.P., and M.G.), Epigenomics Flagship Project EPIGEN, MIUR-CNR to T.P., AIRETT onlus (T.P. and M.G.), the International Rett Syndrome Foundation (ISRF, M.G.), and a fellowship from the International Foundation for CDKL5 Research (IFCR) in collaboration with ISRF (E.A.). The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.Mutations in cyclin-dependent kinase-like 5 (CDKL5) cause early-onset epileptic encephalopathy, a neurodevelopmental disorder with similarities to Rett Syndrome. Here we describe the physiological, molecular, and behavioral phenotyping of a Cdkl5 conditional knockout mouse model of CDKL5 disorder. Behavioral analysis of constitutive Cdkl5 knockout mice revealed key features of the human disorder, including limb clasping, hypoactivity, and abnormal eye tracking. Anatomical, physiological, and molecular analysis of the knockout uncovered potential pathological substrates of the disorder, including reduced dendritic arborization of cortical neurons, abnormal electroencephalograph (EEG) responses to convulsant treatment, decreased visual evoked responses (VEPs), and alterations in the Akt/rpS6 signaling pathway. Selective knockout of Cdkl5 in excitatory and inhibitory forebrain neurons allowed us to map the behavioral features of the disorder to separable cell-types. These findings identify physiological and molecular deficits in specific forebrain neuron populations as possible pathological substrates in CDKL5 disorder.openAmendola E;Zhan Y;Mattucci C;Castroflorio E;Calcagno E;Fuchs C;Lonetti G;Silingardi D;Vyssotski AL;Farley D;Ciani E;Pizzorusso T;Giustetto M;Gross CTAmendola E;Zhan Y;Mattucci C;Castroflorio E;Calcagno E;Fuchs C;Lonetti G;Silingardi D;Vyssotski AL;Farley D;Ciani E;Pizzorusso T;Giustetto M;Gross C

Inflammatory Lung Disease in Rett Syndrome

Rett syndrome (RTT) is a pervasive neurodevelopmental disorder mainly linked to mutations in the gene encoding the methyl-CpG-binding protein 2 (MeCP2). Respiratory dysfunction, historically credited to brainstem immaturity, represents a major challenge in RTT. Our aim was to characterize the relationships between pulmonary gas exchange abnormality (GEA), upper airway obstruction, and redox status in patients with typical RTT (n = 228) and to examine lung histology in a Mecp2-null mouse model of the disease. GEA was detectable in ~80% (184/228) of patients versus ~18% of healthy controls, with “high” (39.8%) and “low” (34.8%) patterns dominating over “mixed” (19.6%) and “simple mismatch” (5.9%) types. Increased plasma levels of non-protein-bound iron (NPBI), F(2)-isoprostanes (F(2)-IsoPs), intraerythrocyte NPBI (IE-NPBI), and reduced and oxidized glutathione (i.e., GSH and GSSG) were evidenced in RTT with consequently decreased GSH/GSSG ratios. Apnea frequency/severity was positively correlated with IE-NPBI, F(2)-IsoPs, and GSSG and negatively with GSH/GSSG ratio. A diffuse inflammatory infiltrate of the terminal bronchioles and alveoli was evidenced in half of the examined Mecp2-mutant mice, well fitting with the radiological findings previously observed in RTT patients. Our findings indicate that GEA is a key feature of RTT and that terminal bronchioles are a likely major target of the disease

Effetti dell’esperienza visiva sulla regolazione della trascrizione genica in corteccia visiva durante il periodo critico e nell’adulto

In moltissime specie durante lo sviluppo post-natale esiste un periodo (chiamato periodo critico) in cui l’esperienza visiva ha un ruolo decisivo per la maturazione della corteccia visiva. Ad esempio, se si esegue una deprivazione monoculare durante il periodo critico, le risposte visive delle cellule corticali diventeranno gradualmente dominate dall’occhio non deprivato. Questo effetto della deprivazione monoculare non avviene se essa è eseguita dopo il periodo critico. E’ stato ipotizzato che l’esperienza visiva durante il periodo critico sia estremamente efficace nell’attivare processi cellulari che portano a fenomeni di plasticità sinaptica. Lo scopo di questa tesi è di studiare le vie di traduzione attivate dall’esperienza visiva durante il periodo critico e confrontarne l’attivazione negli animali adulti. Ci siamo focalizzati sulla via di ERK1,2 (p42/44 MAP chinasi), studiata per il suo coinvolgimento nei fenomeni di plasticità sinaptica, e su suoi possibili bersagli molecolari importanti per la regolazione della trascrizione genica e per il rimodellamento della cromatina. L’attivazione di questi fattori è stata analizzata in vivo mediante stimolazione visiva fisiologica di animali precedentemente allevati al buio per 3 giorni. Gli effetti della stimolazione sono stati valutati per mezzo di analisi immunoistochimiche con anticorpi specifici per la forma fosforilata di ERK, MSK, RSK e istone H3 su fettine di corteccia visiva di topi durante il periodo critico o adulti. Inoltre si sono utilizzati topi transgenici in cui l’espressione del gene per il marcatore b-galattosidasi era posta sotto il controllo esclusivo del fattore di trascrizione CREB (topi CRE-lacZ). L’analisi al microscopio confocale delle marcature in corteccia visiva binoculare ha mostrato un aumento di fosforilazione di ERK nei neuroni della corteccia visiva già 5 min dopo l’esposizione alla luce che raggiunge il picco massimo a 15 min per poi ritornare al livello basale a 40 min. L’esposizione alla luce attivava anche l’espressione della b-galattosidasi visualizzata con istochimica nei topi CRE-lacZ. L’attivazione dell’espressione genica mediata dal CREB non avveniva se ERK era bloccata, in corteccia visiva, per mezzo dell’infusione con l’inibitore di MEK (che fosforila ERK) UO126. Anche per un gene endogeno come c-fos si è notata un’attivazione a 40 min dopo l’esposizione alla luce in topi durante il periodo critico. L’attivazione di c-fos era attenuata dall’UO126 suggerendo che altre vie di traduzione possano concorrere all’attivazione visiva di questo fattore. Ripetendo quest’analisi nell’adulto abbiamo osservato che nonostante ERK mostri un’attivazione simile a quella del periodo critico, l’attivazione dell’espressione genica mediata dal CREB era ridotta sostanzialmente. Il c-fos, il cui promotore contiene altre sequenze regolatorie oltre al CREB, è attivato anche nell’adulto. Dato che CREB non è fosforilato direttamente da ERK abbiamo analizzato due chinasi, MSK e RSK, entrambe a valle di ERK e in grado di fosforilare CREB. Durante il periodo critico l’esperienza visiva non causa l’attivazione della chinasi RSK; al contrario la chinasi MSK durante il periodo critico si attiva con lo stesso decorso temporale di ERK ed è bloccata dall’UO126. Ulteriori analisi al confocale hanno rivelato che fosfo-ERK e fosfo-MSK colocalizzazano negli stessi neuroni corticali. Si può quindi proporre che MSK sia la CREB chinasi che media l’azione di ERK, mentre RSK potrebbe non essere coinvolta. Nell’adulto sembra esserci ancora un’attivazione di MSK, ma ancora i dati sono preliminari. Successivamente abbiamo studiato un possibile bersaglio di MSK, l’istone H3 la cui fosforilazione è implicata nel rimodellamento della cromatina per facilitare l’espressione genica. A tal fine abbiamo utilizzato un anticorpo specifico per l’istone H3 fosforilato nel sito riconosciuto da MSK. Durante il periodo critico, la fosforilazione dell’istone H3 indotta dall’esperienza visiva è duratura nel tempo essendo presente a 15 min dall’esposizione alla luce e rimanendo invariata a 40 min. Questa fosforilazione dipende da ERK in quanto l’inibitore di ERK UO126 inibisce la fosforilazione dell’istone H3 indotta dall’esperienza visiva. Nel rimodellamento della cromatina potrebbe essere implicata anche l’acetilazione degli istoni H3 e H4, ma su questo abbiamo dei dati non ancora conclusivi. Nell’adulto abbiamo osservato un decorso temporale diverso: la fosforilazione dell’istone H3 è transiente con un picco a 15 min dopo l’esposizione alla luce, che ritorna ai valori di base già dopo 40 minuti. I dati suggeriscono che una regolazione differenziale della trascrizione genica e del rimodellamento della cromatina dipendente dall’esperienza visiva sia coinvolta nella variazione delle capacità plastiche dei circuiti corticali che avvengono in coincidenza con il termine del periodo critico

Synaptic determinants of Rett syndrome

There is mounting evidence showing that the structural and molecular organization of synaptic connections are affected both in human patients and in animal models of neurological and psychiatric diseases. As a consequence of these experimental observations, it has been introduced the concept of synapsopathies, a notion describing brain disorders of synaptic function and plasticity. A close correlation between neurological diseases and synaptic abnormalities is especially relevant for those syndromes including also mental retardation in their symptomatology, such as Rett Syndrome (RS). RS (MIM312750) is an X-linked dominant neurological disorder that is caused, in the majority of cases by mutations in methyl-CpG-binding protein 2 (MeCP2). This review will focus on the current knowledge of the synaptic alterations produced by mutations of the gene MeCP2 in mouse models of RS and will highlight prospects experimental therapies currently in use. Different experimental approaches have revealed that RS could be the consequence of an impairment in the homeostasis of synaptic transmission in specific brain regions. Indeed, several forms of experience-induced neuronal plasticity are impaired in the absence of MeCP2. Based on the results presented in this review, it is reasonable to propose that understanding how the brain is affected by diseases such as RS is at reach. This effort will bring us closer to identify the neurobiological bases of human cognition

Mapping pathological phenotypes in a mouse model of CDKL5 disorder

Mutations in cyclin-dependent kinase-like 5 (CDKL5) cause early-onset epileptic encephalopathy, a neurodevelopmental disorder with similarities to Rett Syndrome. Here we describe the physiological, molecular, and behavioral phenotyping of a Cdkl5 conditional knockout mouse model of CDKL5 disorder. Behavioral analysis of constitutive Cdkl5 knockout mice revealed key features of the human disorder, including limb clasping, hypoactivity, and abnormal eye tracking. Anatomical, physiological, and molecular analysis of the knockout uncovered potential pathological substrates of the disorder, including reduced dendritic arborization of cortical neurons, abnormal electroencephalograph (EEG) responses to convulsant treatment, decreased visual evoked responses (VEPs), and alterations in the Akt/rpS6 signaling pathway. Selective knockout of Cdkl5 in excitatory and inhibitory forebrain neurons allowed us to map the behavioral features of the disorder to separable cell-types. These findings identify physiological and molecular deficits in specific forebrain neuron populations as possible pathological substrates in CDKL5 disorder

Inflammatory Lung Disease in Rett Syndrome

Rett syndrome (RTT) is a pervasive neurodevelopmental disorder mainly linked to mutations in the gene encoding the methyl-CpG-binding protein 2 (MeCP2). Respiratory dysfunction, historically credited to brainstem immaturity, represents a major challenge in RTT. Our aim was to characterize the relationships between pulmonary gas exchange abnormality (GEA), upper airway obstruction, and redox status in patients with typical RTT (n = 228) and to examine lung histology in a Mecp2-null mouse model of the disease. GEA was detectable in ~80% (184/228) of patients versus ~18% of healthy controls, with “high” (39.8%) and “low” (34.8%) patterns dominating over “mixed” (19.6%) and “simple mismatch” (5.9%) types. Increased plasma levels of non-protein-bound iron (NPBI), F2-isoprostanes (F2-IsoPs), intraerythrocyte NPBI (IE-NPBI), and reduced and oxidized glutathione (i.e., GSH and GSSG) were evidenced in RTT with consequently decreased GSH/GSSG ratios. Apnea frequency/severity was positively correlated with IE-NPBI, F2-IsoPs, and GSSG and negatively with GSH/GSSG ratio. A diffuse inflammatory infiltrate of the terminal bronchioles and alveoli was evidenced in half of the examined Mecp2-mutant mice, well fitting with the radiological findings previously observed in RTT patients. Our findings indicate that GEA is a key feature of RTT and that terminal bronchioles are a likely major target of the disease