Context

Our genome adapts to environmental influences, in part through epigenetic mechanisms, including DNA methylation. Variations in the quality of the early environment are associated with alterations in DNA methylation in rodents, and recent data suggest similar processes in humans in response to early-life adversity.

Objective

To determine genome-wide DNA methylation alterations induced by early-life trauma.

Design

Genome-wide study of promoter methylation in individuals with severe abuse during childhood.

Patients, Setting, and Main Outcome Measures

Promoter DNA methylation levels were profiled using methylated DNA immunoprecipitation followed by microarray hybridization in hippocampal tissue from 41 French-Canadian men (25 with a history of severe childhood abuse and 16 control subjects). Methylation profiles were compared with corresponding genome-wide gene expression profiles obtained by messenger RNA microarrays. Methylation differences between groups were validated on neuronal and nonneuronal DNA fractions isolated by fluorescence-assisted cell sorting. Functional consequences of site-specific promoter methylation were assessed by luciferase assays.

Results

We identified 362 differentially methylated promoters in individuals with a history of abuse compared with controls. Among these promoters, 248 showed hypermethylation and 114 demonstrated hypomethylation. Validation and site-specific quantification of DNA methylation in the 5 most hypermethylated gene promoters indicated that methylation differences occurred mainly in the neuronal cellular fraction. Genes involved in cellular/neuronal plasticity were among the most significantly differentially methylated, and, among these, Alsin (ALS2) was the most significant finding. Methylated ALS2 constructs mimicking the methylation state in samples from abused suicide completers showed decreased promoter transcriptional activity associated with decreased hippocampal expression of ALS2 variants.

Conclusion

Childhood adversity is associated with epigenetic alterations in the promoters of several genes in hippocampal neurons.

Gustavo Turecki and colleagues report that miR-1202, a miRNA specific to primates, is decreased in individuals with depression and seems to be differentially regulated in individuals who will end up showing beneficial responses to antidepressant treatment compared to those who will not respond. Major depressive disorder (MDD) is a prevalent mood disorder that is associated with differential prefrontal brain expression patterns1. Treatment of MDD includes a variety of biopsychosocial approaches. In medical practice, antidepressant drugs are the most common treatment for depressive episodes, and they are among the most prescribed medications in North America2,3. Although antidepressants are clearly effective, particularly for moderate to severe depressive episodes, there is variability in how individuals respond to antidepressant treatment. Failure to respond has individual, economic and social consequences for patients and their families4. Several lines of evidence demonstrate that genes are regulated through the activity of microRNAs (miRNAs), which act as fine-tuners and on-off switches of gene expression5,6,7. Here we report on complementary studies using postmortem human brain samples, cellular assays and samples from clinical trials of patients with depression and show that miR-1202, a miRNA specific to primates and enriched in the human brain, is differentially expressed in individuals with depression. Additionally, miR-1202 regulates expression of the gene encoding metabotropic glutamate receptor-4 (GRM4) and predicts antidepressant response at baseline. These results suggest that miR-1202 is associated with the pathophysiology of depression and is a potential target for new antidepressant treatments.

Abstract Induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived from human somatic cells have created new opportunities to generate disease-relevant cells. Thus, as the use of patient-derived stem cells has become more widespread, having a workflow to monitor each line is critical. This ensures iPSCs pass a suite of quality control measures, promoting reproducibility across experiments and between labs. With this in mind, we established a multistep workflow to assess our newly generated iPSCs for variations and reproducibility relative to each other and iPSCs obtained from external sources. Our benchmarks for evaluating iPSCs include examining iPSC morphology and proliferation in two different media conditions and evaluating their ability to differentiate into each of the three germ layers, with a particular focus on neurons. Genomic integrity in the human iPSCs was analyzed by G-band karyotyping and a qPCR-based test for the detection of hotspot mutations test. Cell-line identity was authenticated by Short Tandem Repeat (STR) analysis. Using standardized dual SMAD inhibition methods, all iPSC lines gave rise to neural progenitors that could subsequently be differentiated into cortical neurons. Neural differentiation was analyzed qualitatively by immunocytochemistry and quantitatively by qPCR for progenitor, neuronal, cortical, and glial markers. Taken together, we present a multistep quality control workflow to evaluate variability and reproducibility across and between iPSCs.

SNCA, the first gene associated with Parkinson′s disease, encodes the α-synuclein (α-syn) protein, the predominant component within pathological inclusions termed Lewy bodies (LBs). The presence of LBs is one of the classical hallmarks found in the brain of patients with Parkinson′s disease, and LBs have also been observed in patients with other synucleinopathies. However, the study of α-syn pathology in cells has relied largely on two-dimensional culture models, which typically lack the cellular diversity and complex spatial environment found in the brain. Here, to address this gap, we use 3D midbrain organoids (hMOs), differentiated from human induced pluripotent stem cells derived from patients carrying a triplication of the SNCA gene and from CRISPR/Cas9 corrected isogenic control iPSCs. These hMOs recapitulate key features of α-syn pathology observed in the brains of patients with synucleinopathies. In particular, we find that SNCA triplication hMOs express elevated levels of α-syn and exhibit an age-dependent increase in α-syn aggregation, manifested by the presence of both oligomeric and phosphorylated forms of α-syn. These phosphorylated α-syn aggregates were found in both neurons and glial cells and their time-dependent accumulation correlated with a selective reduction in dopaminergic neuron numbers. Thus, hMOs from patients carrying SNCA gene multiplication can reliably model key pathological features of Parkinson′s disease and provide a powerful system to study the pathogenesis of synucleinopathies.

Abstract The lack of fragile X mental retardation protein (FMRP) protein, due to a repression of the FMR1 gene, causes Fragile X syndrome (FXS), one of the most prevalent forms of syndromic autisms. The FMR1 gene codes for an RNA binding protein involved in the regulation of gene expression through RNA processing, control of local translation, and protein-protein interactions; processes that are crucial for proper brain development. Taking advantage of induced pluripotent stem cells (iPSCs) and CRISPR-Cas9 genome editing technologies, we generated iPSC-derived cortical neural progenitors and cortical neurons from an FMR1 knock-out and patient cell line with the aim of identifying common phenotypes between the two cellular models. Using RNA sequencing, quantitative PCR and multielectrode array approaches, we assessed how the absence of the functional FMR1 gene affects the transcriptional profiles and the activities of iPSC-derived cortical neuronal progenitor cells (NPCs) and neurons with both models. We observed that FMR1 KO and FXS patient cells have a decrease in their mean firing rate; a cellular activity that can also be blocked by tetrodotoxin (TTX) application in wild-type active neurons. Relative to wild-type neurons, in FMR1 KO neurons, increased expression of presynaptic mRNA and transcription factors involved in the forebrain specification and decreased levels of mRNA coding AMPA and NMDA subunits were observed. Intriguingly, 40% of the differentially expressed genes were commonly deregulated between NPCs and differentiating neurons with significant enrichments in FMRP targets and Autism Related Genes found amongst downregulated genes. This implies that an absence of functional FMRP affects transcriptional profiles at the NPC stage, resulting in impaired activity and differentiation of the progenitors into mature neurons over time. These findings from the FMR1 KO lines were also shared with FXS patients’ iPSC-derived cells that also present with an impairment in activity and neuronal differentiation, illustrating the critical role of FMRP protein in neuronal development.

Abstract A growing body of knowledge implicates perturbed RNA homeostasis in amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a neurodegenerative disease that currently has no cure and few available treatments. Dysregulation of the multifunctional RNA-binding protein TDP-43 is increasingly regarded as a convergent feature of this disease, evidenced at the neuropathological level by the detection of TDP-43 pathology in most patient tissues, and at the genetic level by the identification of disease-associated mutations in its coding gene TARDBP . To characterize the transcriptional landscape induced by TARDBP mutations, we performed whole-transcriptome profiling of motor neurons differentiated from two knock-in iPSC lines expressing the ALS-linked TDP-43 variants p.A382T or p.G348C. Our results show that the TARDBP mutations significantly altered the expression profiles of mRNAs and microRNAs of the 14q32 cluster in MNs. Using mutation-induced gene signatures and the Connectivity Map database, we identified compounds predicted to restore gene expression toward wild-type levels. Among top-scoring compounds selected for further investigation, the NEDD8-activating enzyme inhibitor MLN4924 effectively improved cell viability and neuronal activity, highlighting a possible role for protein post-translational modification via NEDDylation in the pathobiology of TDP-43 in ALS.

Astrocytes play a number of key functions in health and disease. Reactivation of astrocytes occurs in most, if not all, neurological diseases. Most current information on the mechanisms underlying astrogliosis derives from studies using rodent experimental systems, mainly because the ability to study human astrocytes under healthy and pathological conditions has been hampered by the difficulty in obtaining primary human astrocytes. Here we describe robust and reliable derivation of astrocytes from human induced pluripotent stem cells (iPSCs). Phenotypically characterized human iPSC-derived astrocytes exhibit typical traits of physiological astrocytes, including spontaneous and induced calcium transients. Moreover, human iPSC-derived astrocytes respond to stimulation with a pro-inflammatory combination of tumor necrosis factor alpha, interleukin 1-alpha, and complement component C1q by undergoing changes in gene expression patterns suggesting acquisition of a reactive astrocyte phenotype. Together, these findings provide evidence suggesting that human iPSC-derived astrocytes are a suitable experimental model system to study astrocyte function and reactivation in healthy and pathological conditions of the human nervous system.

Abstract Quantifying changes in DNA and RNA levels is essential in numerous molecular biology protocols. Quantitative real time PCR (qPCR) techniques have evolved to become commonplace, however, data analysis includes many time-consuming and cumbersome steps, which can lead to mistakes and misinterpretation of data. To address these bottlenecks, we have developed an open-source Python software to automate processing of result spreadsheets from qPCR machines, employing calculations usually performed manually. Auto-qPCR is a tool that saves time when computing qPCR data, helping to ensure reproducibility of qPCR experiment analyses. Our web-based app ( https://auto-q-pcr.com/ ) is easy to use and does not require programming knowledge or software installation. Using Auto-qPCR, we provide examples of data treatment, display and statistical analyses for four different data processing modes within one program: (1) DNA quantification to identify genomic deletion or duplication events; (2) assessment of gene expression levels using an absolute model, and relative quantification (3) with or (4) without a reference sample. Our open access Auto-qPCR software saves the time of manual data analysis and provides a more systematic workflow, minimizing the risk of errors. Our program constitutes a new tool that can be incorporated into bioinformatic and molecular biology pipelines in clinical and research labs.

Summary Cytoplasmic mislocalization and aggregation of the RNA-binding protein TDP-43 is a pathological hallmark of the motor neuron (MN) disease amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Furthermore, while mutations in the TARDBP gene (encoding TDP-43) have been associated with ALS, the pathogenic consequences of these mutations remain poorly understood. Using CRISPR/Cas9, we engineered two homozygous knock-in iPSC lines carrying mutations in TARDBP encoding TDP-43 A382T and TDP-43 G348C , two common yet understudied ALS TDP-43 variants. MNs differentiated from knock-in iPSCs had normal viability and displayed no significant changes in TDP-43 subcellular localization, phosphorylation, solubility, or aggregation compared with isogenic control MNs. However, our results highlight synaptic impairments in both TDP-43 A382T and TDP-43 G348C MN cultures, as reflected in synapse abnormalities and alterations in spontaneous neuronal activity. Collectively, our findings argue that MN dysfunction precedes the occurrence of TDP-43 pathology and neurodegeneration in ALS, and further implicates synaptic and excitability defects in the pathobiology of this disease. Highlights MNs differentiated from knock-in iPSCs do not display a neurodegenerative phenotype. Mutant MNs do not show TDP-43 pathology. TDP-43 variants lead to a progressive decline in spontaneous neuronal activity. Functional impairments are accompanied by abnormal synaptic marker expression. eTOC blurb Using CRISPR/Cas9-edited iPSCs, Lépine et al. demonstrate that ALS TDP-43 variants (TDP-43 A382T and TDP43 G348C ) lead to alterations in spontaneous neuronal activity and synaptic abnormalities in the absence of TDP-43 mislocalization, aggregation, or neurodegeneration. These findings imply that TDP-43 pathology is not required to induce MN dysfunction and support the presence of early synaptic impairments prior to MN loss in ALS.