Rare and common epilepsies converge on a shared gene regulatory network providing opportunities for novel antiepileptic drug discovery

Background The relationship between monogenic and polygenic forms of epilepsy is poorly understood, and the extent to which the genetic and acquired epilepsies share common pathways is unclear. Here, we use an integrated systems-level analysis of brain gene expression data to identify molecular networks disrupted in epilepsy. Results We identify a co-expression network of 320 genes (M30), which is significantly enriched for non-synonymous de novo mutations ascertained from patients with monogenic epilepsy, and for common variants associated with polygenic epilepsy. The genes in M30 network are expressed widely in the human brain under tight developmental control, and encode physically interacting proteins involved in synaptic processes. The most highly connected proteins within M30 network are preferentially disrupted by deleterious de novo mutations for monogenic epilepsy, in line with the centrality-lethality hypothesis. Analysis of M30 expression revealed consistent down-regulation in the epileptic brain in heterogeneous forms of epilepsy including human temporal lobe epilepsy, a mouse model of acquired temporal lobe epilepsy, and a mouse model of monogenic Dravet (SCN1A) disease. These results suggest functional disruption of M30 via gene mutation or altered expression as a convergent mechanism regulating susceptibility to epilepsy broadly. Using the large collection of drug-induced gene expression data from Connectivity Map, several drugs were predicted to preferentially restore the down-regulation of M30 in epilepsy toward health, most notably valproic acid, whose effect on M30 expression was replicated in neurons. Conclusions Taken together, our results suggest targeting the expression of M30 as a potential new therapeutic strategy in epilepsy

Systems genetics identifies Sestrin 3 as a regulator of a proconvulsant gene network in human epileptic hippocampus

Gene-regulatory network analysis is a powerful approach to elucidate the molecular processes and pathways underlying complex disease. Here we employ systems genetics approaches to characterize the genetic regulation of pathophysiological pathways in human temporal lobe epilepsy (TLE). Using surgically acquired hippocampi from 129 TLE patients, we identify a gene-regulatory network genetically associated with epilepsy that contains a specialized, highly expressed transcriptional module encoding proconvulsive cytokines and Toll-like receptor signalling genes. RNA sequencing analysis in a mouse model of TLE using 100 epileptic and 100 control hippocampi shows the proconvulsive module is preserved across-species, specific to the epileptic hippocampus and upregulated in chronic epilepsy. In the TLE patients, we map the trans-acting genetic control of this proconvulsive module to Sestrin 3 (SESN3), and demonstrate that SESN3 positively regulates the module in macrophages, microglia and neurons. Morpholino-mediated Sesn3 knockdown in zebrafish confirms the regulation of the transcriptional module, and attenuates chemically induced behavioural seizures in vivo

A systems-level framework for drug discovery identifies Csf1R as an anti-epileptic drug target

The identification of drug targets is highly challenging, particularly for diseases of the brain. To address this problem, we developed and experimentally validated a general computational framework for drug target discovery that combines gene regulatory information with causal reasoning (“Causal Reasoning Analytical Framework for Target discovery”—CRAFT). Using a systems genetics approach and starting from gene expression data from the target tissue, CRAFT provides a predictive framework for identifying cell membrane receptors with a direction-specified influence over disease-related gene expression profiles. As proof of concept, we applied CRAFT to epilepsy and predicted the tyrosine kinase receptor Csf1R as a potential therapeutic target. The predicted effect of Csf1R blockade in attenuating epilepsy seizures was validated in three pre-clinical models of epilepsy. These results highlight CRAFT as a systems-level framework for target discovery and suggest Csf1R blockade as a novel therapeutic strategy in epilepsy. CRAFT is applicable to disease settings other than epilepsy

Systems genetics identifies a convergent gene network for cognition and neurodevelopmental disease

Genetic determinants of cognition are poorly characterized, and their relationship to genes that confer risk for neurodevelopmental disease is unclear. Here we performed a systems-level analysis of genome-wide gene expression data to infer gene-regulatory networks conserved across species and brain regions. Two of these networks, M1 and M3, showed replicable enrichment for common genetic variants underlying healthy human cognitive abilities, including memory. Using exome sequence data from 6,871 trios, we found that M3 genes were also enriched for mutations ascertained from patients with neurodevelopmental disease generally, and intellectual disability and epileptic encephalopathy in particular. M3 consists of 150 genes whose expression is tightly developmentally regulated, but which are collectively poorly annotated for known functional pathways. These results illustrate how systems-level analyses can reveal previously unappreciated relationships between neurodevelopmental disease–associated genes in the developed human brain, and provide empirical support for a convergent gene-regulatory network influencing cognition and neurodevelopmental disease

Systems genetics identifies Sestrin 3 as a regulator of a proconvulsant gene network in human epileptic hippocampus

Peer reviewe

Субтотальні адреналектомії в лікуванні доброякісних утворень наднирників

 Aim. To evaluate the results of subtotal adrenalectomy in patients with benign adrenal neoplasms.Materials and methods. A total of 111 patients with benign adrenal tumors were operated in the clinic. Depending on the surgeon volume, the patients were divided into 2 study groups: the main group consisted of patients after subtotal adrenalectomy (n = 55) and the comparison group comprised patients after total adrenalectomy (n = 56).Indicators of endocrine and blood electrolyte profiles were determined for all the patients, general clinical blood and urine examinations were performed at the time of admission and after the surgical treatment. The analysis of instrumental methods of examination with an assessment of the tumor malignant potential was also performed.Indicators of quality of life (QOL) of patients were assessed using the SF-36 questionnaire at admission, 6, 12 and 24 months following the surgery. Statistical analysis of the study results was carried out using the Statistica 6.1 software and Excel-2010 software (with the Attestat add-on) using the parametric and non-parametric statistical methods.Results. After subtotal adrenalectomy, a decrease in adrenal insufficiency cases among silent tumors and faster recovery of the adrenal glands functional activity in hormone-active neoplasms (P < 0.05) were detected, compared with the results after total adrenalectomy.QOL scores increased on all the scales by 20.4 points (95 % CI 7.4–33.5), (P < 0.05) 12 months after subtotal resection of the adrenal glands, while improvements in the indicators were less pronounced in the group of patients after total adrenalectomy.Conclusions. The incidence of adrenal insufficiency in the early postoperative period in patients with hormone-active tumors was 5.2 % after organ-preserving surgery and 11.9 % – after total adrenalectomy. After 12 months, all the patients who underwent surgery for adrenal neoplasms showed a moderate improvement in the quality of life. At the same time, after subtotal adrenalectomy, indicators of mental and physical health increased by 20.4 points (95 % CI 7.4–33.5), compared to those after total adrenalectomy, which were only 8.1 (95 % CI -6.7–22.9). Subtotal adrenal resection is an effective method of surgical treatment for benign adrenal tumors. Цель работы – оценка результатов субтотальных адреналэктомий у больных с доброкачественными новообразованиями надпочечников.Материалы и методы. В клинике прооперировали 111 больных с доброкачественными опухолями надпочечников. В зависимости от объема хирургических вмешательств пациенты разделены на 2 группы наблюдения: основная – больные после субтотальных адреналэктомий (n = 55), группа сравнения – после тотальных адреналэктомий (n = 56). Всем больным определяли показатели гормонального фона, электролитный состав крови, проводили общеклинические исследования крови и мочи на момент поступления и после хирургического лечения. Также выполнен анализ инструментальных методов исследования с оценкой злокачественного потенциала опухолей. Показатели качества жизни (КЖ) пациентов оценивали с помощью опросника SF-36 при поступлении, через 6, 12 и 24 месяца после операции. Статистический анализ результатов исследования выполнили с помощью программного продукта Statistica 6.1 и Excel-2010 (с надстройкой Attestat) с использованием методов параметрической и непараметрической статистики.Результаты. После субтотальных адреналэктомий отмечено снижение количества случаев надпочечниковой недостаточности среди «немых» опухолей и более быстрое восстановление функциональной активности надпочечников при гормонально активных образованиях (р < 0,05) по сравнению с результатами после тотальных адреналэктомий. Спустя 12 месяцев после перенесенных субтотальных резекций надпочечников у пациентов возросли показатели КЖ по всем шкалам (р < 0,05) на 20,4 балла (95 % ДИ 7,4–33,5), а в группе после тотальных адреналэктомий улучшение показателей было менее выражено.Выводы. Частота развития надпочечниковой недостаточности в раннем послеоперационном периоде у пациентов с гормон-активными опухолями составляла после органосберегающих операций – 5,2 %, после выполнения тотальных адреналэктомий – 11,9 %. Через 12 месяцев у всех больных, которые перенесли хирургическое вмешательство по поводу новообразований надпочечников, отмечено умеренное улучшение качества жизни. После субтотальных адреналэктомий показатели психического и физического здоровья возросли на 20,4 балла (95 % ДИ 7,4–33,5) по сравнению с результатами после тотальных, которые составляют всего 8,1 (95 % ДИ -6,7–22,9). Субтотальная резекция надпочечников – эффективный метод хирургического лечения доброкачественных опухолей надпочечников.  Мета роботи – оцінювання результатів субтотальних адреналектомій у хворих із доброякісними новоутвореннями наднирників.Матеріали та методи. У клініці прооперували 111 хворих із доброякісними пухлинами надниркових залоз. Залежно від обсягу хірургічних втручань пацієнтів поділили на 2 групи спостереження: основна – хворі після субтотальних адреналектомій (n = 55), група порівняння – після тотальних адреналектомій (n = 56). Усім хворим визначали показники гормонального фону, електролітний склад крові, виконували загальноклінічні дослідження крові та сечі на час надходження та після хірургічного лікування. Також виконали аналіз інструментальних методів дослідження з оцінюванням злоякісного потенціалу пухлин. Показники якості життя (ЯЖ) пацієнтів оцінювали за допомогою опитувальника SF-36 під час надходження, через 6, 12 і 24 місяці після операції. Статистичний аналіз результатів дослідження виконали за допомогою програмного продукту Statistica 6.1 та Excel-2010 (з надбудовою Attestat), використовуючи методи параметричної та непараметричної статистики.Результати. Після субтотальних адреналектомій встановили зниження кількості випадків надниркової недостатності серед «німих» пухлин і швидше відновлення функціональної активності наднирників при гормонально активних утвореннях (р < 0,05) порівняно з результатами після тотальних адреналектомій. Через 12 місяців після перенесених субтотальних резекцій наднирників у пацієнтів підвищилися показники ЯЖ за всіма шкалами (р < 0,05) на 20,4 бала (95 % ДІ 7,4–33,5), а у групі після тотальних адреналектомій поліпшення показників було менш вираженим.Висновки. Частота розвитку надниркової недостатності в ранньому післяопераційному періоді в пацієнтів із гормонально активними пухлинами становила після органозберігальних операцій 5,2 %, після виконання тотальних адреналектомій – 11,9 %. Через 12 місяців у всіх хворих, які перенесли хірургічне втручання з приводу новоутворень надниркових залоз, визначили помірне поліпшення якості життя. Після субтотальних адреналектомій показники психічного й фізичного здоров’я зросли на 20,4 бала (95 % ДІ 7,4–33,5) порівняно з результатами після тотальних, які становлять тільки 8,1 (95 % ДІ -6,7–22,9). Субтотальна резекція надниркових залоз є ефективним методом хірургічного лікування доброякісних пухлин надниркових залоз.

Імунологічні можливості діагностики та прогнозування розвитку асептичних та інфікованих місцевих ускладнень гострого панкреатиту

 The aim. To substantiate the possibility of diagnosis and prediction of aseptic and infected local complications of acute pancreatitis (AP) by determining the level of immunoglobulins of class G.Materials and methods. 30 patients with AP (oedematous and necrotic form) were examined. The control group consisted of patients scheduled for inguinal hernia, varicose vein and breast fibroadenoma surgery (n = 10). Laboratory and immunological studies were carried out three times: the 1st study – upon admission; the 2nd – on the 7th day; the 3 – on the 14th day. An enzyme-linked immunoglobulin analysis of IgG subclasses (G1, G2, G3, G4) was performed in the main study group.Results. Median survival time is 12 days (95 % CI 2.0–28.0) among all examined patients. This time decreases in immunoglobulins deficiency and is 10 days (95 % CI 10.0–71.0) in total IgG level decrease. When comparing groups with a lower level of immunoglobulins and normal, this trend is reflected in all subclasses, and a statistically significant difference between them is detected for IgG4. There is a significant difference (p = 0.049) in Kaplan-Mayer's curves in terms of reducing survival without complications in patients with low IgG4 level (median survival 2.0 days, 95 % CI 1.0–17.0) compared to normal and high its level (Me = 28.0; 95 % CI 10.0–7.0).Survival without complications of the examined patients increases statistically significantly with an increase in the total level of immunoglobulins – RR = 0.91 (95 % CI 0.11–0.98). The probability of complication in and after hospitalization for a patient with GP is lower with the most increase in IgG4 – RR = 0.02 (95 % CI 0.001–0.650). Consequently, the higher level of immunoglobulins in patients, the less the risk of getting complications. Patients with low IgG4 level are more likely to develop complications than patients with normal or elevated IgG4 level. That is, the level of subclass IgG4 can be considered as a diagnostic criterion of complications development and one of their occurrence predictors.Conclusions. Definition of IgG dynamics in patients with AP provides new opportunities for predicting the development of local complications of AP. The level of IgG4 may serve as an additional diagnostic criterion for the local AP complications development. Цель работы – обосновать возможность диагностики и прогнозирования асептических и инфицированных местных осложнений острого панкреатита путем определения уровня иммуноглобулинов класса G.Материалы и методы. Обследовали 30 пациентов с острым панкреатитом (отечная и некротическая формы). Группу контроля составили пациенты, госпитализированные для проведения планового оперативного вмешательства по поводу паховой грыжи, варикозной болезни и фиброаденомы молочной железы (n = 10). Лабораторные и иммунологические исследования проводили трижды: при поступлении, на 7 и 14 сутки. Проведен иммуноферментный анализ субклассов IgG (G1, G2, G3, G4) в основной группе исследования.Результаты. Медиана выживаемости без осложнений среди всех обследованных составляет 12 дней (95 % ДИ 2,0–28,0). При дефиците иммуноглобулинов это время уменьшается и составляет при снижении уровня общего IgG 10 дней (95 % ДИ 10,0–71,0). При сравнении групп с пониженным уровнем иммуноглобулинов по сравнению с нормальными показателями такая тенденция прослеживается для всех субклассов, а статистически значимое различие между ними установлено по IgG4. Отмечено достоверное (p = 0,049) расхождение кривых Каплана–Майера в сторону уменьшения выживаемости без осложнений у пациентов с низким уровнем IgG4 (медиана выживаемости – 2,0 дня, 95 % ДИ 1,0–17,0) по сравнению с его нормальным и высоким уровнем (Ме = 28,0; 95 % ДИ 10,0–71,0).Выживаемость без осложнений обследованных больных статистически значимо повышается при увеличении общего уровня иммуноглобулинов: ОР = 0,91 (95 % ДИ 0,11–0,98). Вероятность получить осложнения при и после госпитализации для больного ОП меньше при повышении в наибольшей степени уровня IgG4: ОР = 0,02 (95 % ДИ 0,001–0,650). Следовательно, чем выше уровень иммуноглобулинов у больных, тем меньше риск осложнений. Пациенты с низким уровнем IgG4 имеют больше шансов развития осложнений, чем пациенты с нормальным или повышенным уровнем IgG4. То есть уровень субкласса IgG4 можно считать диагностическим критерием развития осложнений и рассматривать как один из предикторов их возникновения.Выводы. Определение IgG в динамике у больных ОП предоставляет новые возможности для прогнозирования развития местных осложнений ОП. Уровень IgG4 может служить дополнительным диагностическим критерием развития местных осложнений ОП.  Мета роботи – обґрунтувати можливість діагностики та прогнозування асептичних, інфікованих місцевих ускладнень гострого панкреатиту шляхом визначення рівня імуноглобулінів класу G.Матеріали та методи. Обстежили 30 пацієнтів із гострим панкреатитом (набрякова та некротична форми). Групу контролю утворили пацієнти, госпіталізовані для здійснення планового оперативного втручання з приводу пахової кили, варикозної хвороби та фіброаденоми молочної залози (n = 10). Лабораторні та імунологічні дослідження виконували тричі: при надходженні, на 7 та 14 добу. Здійснили імуноферментний аналіз субкласів IgG (G1, G2, G3, G4) в основній групі дослідження.Результати. Медіана виживаності, що характеризує момент часу, до якого доживає половина хворих без ускладнень, становить серед усіх обстежених 12 днів (95 % ДІ 2,0–28,0). При дефіциті імуноглобулінів цей час зменшується та становить при зниженні рівня загального IgG 10 днів (95 % ДІ 10,0–71,0). Зіставляючи групи зі зниженим рівнем імуноглобулінів порівняно з нормальними показниками, така тенденція простежується для усіх субкласів, а статистично значущу різницю між ними встановили за IgG4. Виявили вірогідне (p = 0,049) розходження кривих Каплана–Майєра в бік зменшення виживання без ускладнень у пацієнтів із низьким рівнем IgG4 (медіана виживаності – 2,0 дні, 95 %ДІ 1,0–17,0) порівняно з його нормальним і високим рівнями (Ме = 28,0; 95 % ДІ 10,0–71,0).Виживаність без ускладнень обстежених хворих статистично значущо підвищується за умови збільшення загального рівня імуноглобулінів: ВР = 0,91 (95 % ДІ 0,11–0,98). Імовірність отримати ускладнення під час та після госпіталізації для хворого на ГП менша при підвищенні найбільшою мірою рівня IgG4: ВР = 0,02 (95 % ДІ 0,001–0,650). Отже, чим вищий рівень імуноглобулінів у хворих, тим менший ризик отримати ускладнення. Пацієнти з низьким рівнем IgG4 мають більше шансів розвитку ускладнень, ніж пацієнти з нормальним чи підвищеним рівнем IgG4. Тобто рівень субкласу IgG4 можна вважати діагностичним критерієм розвитку ускладнень і розглядати як один із предикторів їх виникнення.Висновки. Визначення IgG у динаміці у хворих на ГП дає нові можливості для прогнозування розвитку місцевих ускладнень ГП. Рівень IgG4 може бути додатковим діагностичним критерієм розвитку місцевих ускладнень ГП.

Genome-wide analysis of differential RNA editing in epilepsy

The recoding of genetic information through RNA editing contributes to proteomic diversity, but the extent and significance of RNA editing in disease is poorly understood. In particular, few studies have investigated the relationship between RNA editing and disease at a genome-wide level. Here, we developed a framework for the genome-wide detection of RNA sites that are differentially edited in disease. Using RNA-sequencing data from 100 hippocampi from mice with epilepsy (pilocarpine–temporal lobe epilepsy model) and 100 healthy control hippocampi, we identified 256 RNA sites (overlapping with 87 genes) that were significantly differentially edited between epileptic cases and controls. The degree of differential RNA editing in epileptic mice correlated with frequency of seizures, and the set of genes differentially RNA-edited between case and control mice were enriched for functional terms highly relevant to epilepsy, including “neuron projection” and “seizures.” Genes with differential RNA editing were preferentially enriched for genes with a genetic association to epilepsy. Indeed, we found that they are significantly enriched for genes that harbor nonsynonymous de novo mutations in patients with epileptic encephalopathy and for common susceptibility variants associated with generalized epilepsy. These analyses reveal a functional convergence between genes that are differentially RNA-edited in acquired symptomatic epilepsy and those that contribute risk for genetic epilepsy. Taken together, our results suggest a potential role for RNA editing in the epileptic hippocampus in the occurrence and severity of epileptic seizures

Epigenomic signatures underpin the axonal regenerative ability of dorsal root ganglia sensory neurons

Axonal injury results in regenerative success or failure, depending on whether the axon lies in the peripheral or the CNS, respectively. The present study addresses whether epigenetic signatures in dorsal root ganglia discriminate between regenerative and non-regenerative axonal injury. Chromatin immunoprecipitation for the histone 3 (H3) post-translational modifications H3K9ac, H3K27ac and H3K27me3; an assay for transposase-accessible chromatin; and RNA sequencing were performed in dorsal root ganglia after sciatic nerve or dorsal column axotomy. Distinct histone acetylation and chromatin accessibility signatures correlated with gene expression after peripheral, but not central, axonal injury. DNA-footprinting analyses revealed new transcriptional regulators associated with regenerative ability. Machine-learning algorithms inferred the direction of most of the gene expression changes. Neuronal conditional deletion of the chromatin remodeler CCCTC-binding factor impaired nerve regeneration, implicating chromatin organization in the regenerative competence. Altogether, the present study offers the first epigenomic map providing insight into the transcriptional response to injury and the differential regenerative ability of sensory neurons

Rare and common epilepsies converge on a shared gene regulatory network providing opportunities for novel antiepileptic drug discovery

10.1186/s13059-016-1097-7Genome Biology17124