Abstract Kabuki syndrome (KS) is a rare multisystem disorder, characterized by intellectual disability, growth delay, and distinctive craniofacial features. It is mostly caused by de novo mutations of KMT2D , which is responsible for histone H3lysine 4 mono-methylation (H3K4me1) that marks active and poised enhancers. We assessed the impact of KMT2D mutations on chromatin and transcriptional regulation in a cohort of multiple KS1 tissues, including primary patient samples and disease-relevant lineages, namely cortical neurons (iN), neural crest stem cells (NCSC), and mesenchymal cells (MC). In parallel, we generated an isogenic line derived from human embryonic stem cells (hESC) for the stepwise characterization of neural precursors and mature neurons. We found that transcriptional dysregulation was particularly pronounced in cortical neurons and widely affected synapse activity pathways. This was consistent with highly specific alterations of spontaneous network-bursts patterns evidenced by Micro-electrode-array (MEA)-based neural network. Profiling of H3K4me1 unveiled the almost complete uncoupling between this chromatin mark and the effects on transcription, which is instead reflected by defects in H3K27ac. Finally, we identified the direct targets of KMT2D in mature cortical neurons, uncovering TEAD2 as the main mediator of KMT2D haploinsufficiency. Our results uncover the multi-tissue architecture of KS1 dysregulation and define a unique electrical phenotype and its molecular underpinnings for the cortical neuronal lineage.

Abstract Copy number variations (CNVs) at 7q11.23 cause Williams-Beuren (WBS) and 7q microduplication syndromes (7Dup), two neurodevelopmental disorders with shared and opposite cognitive-behavioral phenotypes. Using patient-derived and isogenic neurons, we integrated transcriptomics, translatomics and proteomics to elucidate the molecular underpinnings of this dosage effect. We found that 7q11.23 CNVs cause opposite alterations in neuronal differentiation and excitability. Genes related to neuronal transmission chiefly followed 7q11.23 dosage and appeared transcriptionally controlled, while translation and ribosomal protein genes followed the opposite trend and were post-transcriptionally buffered. Mechanistically, we uncovered REST regulon as a key mediator of observed phenotypes and rescued transcriptional and excitability alterations through REST inhibition. We identified downregulation of global protein synthesis, mGLUR5 and ERK-mTOR pathways activity in steady-state in both WBS and 7Dup, whereas BDNF stimulation rescued them specifically in 7Dup. Overall, we show that 7q11.23 CNVs alter protein synthesis and neuronal firing-established molecular and cellular phenotypes of neurodevelopmental disorders. Graphical abstract

Copy number variation (CNV) at 7q11.23 causes Williams-Beuren syndrome (WBS) and 7q microduplication syndrome (7Dup), neurodevelopmental disorders (NDDs) featuring intellectual disability accompanied by symmetrically opposite neurocognitive features. Although significant progress has been made in understanding the molecular mechanisms underlying 7q11.23-related pathophysiology, the propagation of CNV dosage across gene expression layers and their interplay remains elusive. Here we uncovered 7q11.23 dosage-dependent symmetrically opposite dynamics in neuronal differentiation and intrinsic excitability. By integrating transcriptomics, translatomics, and proteomics of patient-derived and isogenic induced neurons, we found that genes related to neuronal transmission follow 7q11.23 dosage and are transcriptionally controlled, while translational factors and ribosomal genes are posttranscriptionally buffered. Consistently, we found phosphorylated RPS6 (p-RPS6) downregulated in WBS and upregulated in 7Dup. Surprisingly, p-4EBP was changed in the opposite direction, reflecting dosage-specific changes in total 4EBP levels. This highlights different dosage-sensitive dyregulations of the mTOR pathway as well as distinct roles of p-RPS6 and p-4EBP during neurogenesis. Our work demonstrates the importance of multiscale disease modeling across molecular and functional layers, uncovers the pathophysiological relevance of ribosomal biogenesis in a paradigmatic pair of NDDs, and uncouples the roles of p-RPS6 and p-4EBP as mechanistically actionable relays in NDDs.

In living organisms, biological clocks regulate 24 h (circadian) molecular, physiological, and behavioral rhythms to maintain homeostasis and synchrony with predictable environmental changes. Harmonics of these circadian rhythms having periods of 8 hours and 12 hours (ultradian) have been documented in several species. In mouse liver, harmonics of the 24-hour period of gene transcription hallmarked genes oscillating with a frequency two or three times faster than the circadian circuitry. Many of these harmonic transcripts enriched pathways regulating responses to environmental stress and coinciding preferentially with subjective dawn and dusk. We hypothesized that these stress anticipatory genes would be more evolutionarily conserved than background circadian and non-circadian genes. To investigate this issue, we performed broad computational analyses of genes/proteins oscillating at different frequency ranges across several species and showed that ultradian genes/proteins, especially those oscillating with a 12-hour periodicity, are more likely to be of ancient origin and essential in mice. In summary, our results show that genes with ultradian transcriptional patterns are more likely to be phylogenetically conserved and associated with the primeval and inevitable dawn/dusk transitions.