Summary

 Autism spectrum disorders (ASD) are complex neurodevelopmental diseases in which different combinations of genetic mutations may contribute to the phenotype. Using Rett syndrome (RTT) as an ASD genetic model, we developed a culture system using induced pluripotent stem cells (iPSCs) from RTT patients' fibroblasts. RTT patients' iPSCs are able to undergo X-inactivation and generate functional neurons. Neurons derived from RTT-iPSCs had fewer synapses, reduced spine density, smaller soma size, altered calcium signaling and electrophysiological defects when compared to controls. Our data uncovered early alterations in developing human RTT neurons. Finally, we used RTT neurons to test the effects of drugs in rescuing synaptic defects. Our data provide evidence of an unexplored developmental window, before disease onset, in RTT syndrome where potential therapies could be successfully employed. Our model recapitulates early stages of a human neurodevelopmental disease and represents a promising cellular tool for drug screening, diagnosis and personalized treatment. 

PaperFlick

Zika virus infection has been linked to an increase in the number of infants born with microcephaly in Brazil, but direct experimental proof that Zika virus causes birth defects was lacking. Here Alysson Muotri and colleagues show that the Brazilian Zika virus strain can cross the placenta and cause intrauterine growth restriction, including signs of microcephaly, in the SJL strain of mice. They also show that the virus can infect human brain organoids, inducing cell death by apoptosis and disrupting cortical layers. Zika virus (ZIKV) is an arbovirus belonging to the genus Flavivirus (family Flaviviridae) and was first described in 1947 in Uganda following blood analyses of sentinel Rhesus monkeys1. Until the twentieth century, the African and Asian lineages of the virus did not cause meaningful infections in humans. However, in 2007, vectored by Aedes aegypti mosquitoes, ZIKV caused the first noteworthy epidemic on the Yap Island in Micronesia2. Patients experienced fever, skin rash, arthralgia and conjunctivitis2. From 2013 to 2015, the Asian lineage of the virus caused further massive outbreaks in New Caledonia and French Polynesia. In 2013, ZIKV reached Brazil, later spreading to other countries in South and Central America3. In Brazil, the virus has been linked to congenital malformations, including microcephaly and other severe neurological diseases, such as Guillain–Barré syndrome4,5. Despite clinical evidence, direct experimental proof showing that the Brazilian ZIKV (ZIKVBR) strain causes birth defects remains absent6. Here we demonstrate that ZIKVBR infects fetuses, causing intrauterine growth restriction, including signs of microcephaly, in mice. Moreover, the virus infects human cortical progenitor cells, leading to an increase in cell death. We also report that the infection of human brain organoids results in a reduction of proliferative zones and disrupted cortical layers. These results indicate that ZIKVBR crosses the placenta and causes microcephaly by targeting cortical progenitor cells, inducing cell death by apoptosis and autophagy, and impairing neurodevelopment. Our data reinforce the growing body of evidence linking the ZIKVBR outbreak to the alarming number of cases of congenital brain malformations. Our model can be used to determine the efficiency of therapeutic approaches to counteracting the harmful impact of ZIKVBR in human neurodevelopment.

Revealing the mechanisms for neuronal somatic diversification remains a central challenge for understanding individual differences in brain organization and function. Here we show that an engineered human LINE-1 (for long interspersed nuclear element-1; also known as L1) element can retrotranspose in neuronal precursors derived from rat hippocampus neural stem cells. The resulting retrotransposition events can alter the expression of neuronal genes, which, in turn, can influence neuronal cell fate in vitro. We further show that retrotransposition of a human L1 in transgenic mice results in neuronal somatic mosaicism. The molecular mechanism of action is probably mediated through Sox2, because a decrease in Sox2 expression during the early stages of neuronal differentiation is correlated with increases in both L1 transcription and retrotransposition. Our data therefore indicate that neuronal genomes might not be static, but some might be mosaic because of de novo L1 retrotransposition events. Vive la difference seems fair comment when it comes to the organization of the vertebrate brain and mind. The basic kit of parts can achieve considerable variation between individuals. A source of variability in the neuronal genome that might explain some of the differences is reported this week: retrotransposition by LINE-1 regulatory elements. In adult rat neuronal stem cells, and in vivo in brains of transgenic mice, an engineered human LINE-1 is shown to produce DNA from RNA by reverse transcription. Similar retrotranspositions have been seen previously in germ cells or in early embryogenesis, before the cells had adopted a distinct (neuronal, say) lineage. But this new work suggests that mobile genetic elements might alter the neuronal genome — and neuronal circuits — at a much later stage.

Summary

 Structural and transcriptional changes during early brain maturation follow fixed developmental programs defined by genetics. However, whether this is true for functional network activity remains unknown, primarily due to experimental inaccessibility of the initial stages of the living human brain. Here, we developed human cortical organoids that dynamically change cellular populations during maturation and exhibited consistent increases in electrical activity over the span of several months. The spontaneous network formation displayed periodic and regular oscillatory events that were dependent on glutamatergic and GABAergic signaling. The oscillatory activity transitioned to more spatiotemporally irregular patterns, and synchronous network events resembled features similar to those observed in preterm human electroencephalography. These results show that the development of structured network activity in a human neocortex model may follow stable genetic programming. Our approach provides opportunities for investigating and manipulating the role of network activity in the developing human cortex.

This study shows that adult neurogenesis requires canonical Wnt signaling to trigger transcription of pro-neural NeuroD1. Wnt signaling activates β-catenin, which in complex with TCF/LEF displaces the repressor Sox2 from a previously unknown combined Sox/LEF element in the Neurod1 promoter. Similar Sox/LEF elements activated by Wnt signaling were found in LINE-1 retrotransposons. In adult hippocampus, new neurons are continuously generated from neural stem cells (NSCs), but the molecular mechanisms regulating adult neurogenesis remain elusive. We found that Wnt signaling, together with the removal of Sox2, triggered the expression of NeuroD1 in mice. This transcriptional regulatory mechanism was dependent on a DNA element containing overlapping Sox2 and T-cell factor/lymphoid enhancer factor (TCF/LEF)-binding sites (Sox/LEF) in the promoter. Notably, Sox/LEF sites were also found in long interspersed nuclear element 1 (LINE-1) elements, consistent with their critical roles in the transition of NSCs to proliferating neuronal progenitors. Our results describe a previously unknown Wnt-mediated regulatory mechanism that simultaneously coordinates activation of NeuroD1 and LINE-1, which is important for adult neurogenesis and survival of neuronal progenitors. Moreover, the discovery that LINE-1 retro-elements embedded in the mammalian genome can function as bi-directional promoters suggests that Sox/LEF regulatory sites may represent a general mechanism, at least in part, for relaying environmental signals to other nearby loci to promote adult hippocampal neurogenesis.

L1 retrotransposons are dynamically regulated and active genomic elements that affect gene expression and neuronal function throughout brain development. According to a new study by Alysson Muotri and colleagues, the absence of MeCP2, a modulator of DNA methylation implicated in several neurodevelopmental disorders, increases L1 retrotransposon activity in rodent models. This increase in susceptibility to L1 retrotransposition is duplicated in iPS cells derived from patients with Rett syndrome. These data correlations suggest that disease-related genetic mutations may influence L1 retrotransposon activity, adding another layer of complexity to our understanding of molecular neurological disorders. Long interspersed nuclear elements-1 (L1) retrotransposons affect gene expression and neuronal function throughout brain development. These authors show that the absence of methyl-CpG-binding protein 2, a modulator of DNA methylation implicated in several neurodevelopmental disorders, increases L1 retrotransposon activity in rodent models, with this increase in susceptibility duplicated in patients with Rett syndrome. These correlations suggest that disease-related genetic mutations may influence L1 retrotransposon activity. Long interspersed nuclear elements-1 (LINE-1 or L1s) are abundant retrotransposons that comprise approximately 20% of mammalian genomes1,2,3. Active L1 retrotransposons can impact the genome in a variety of ways, creating insertions, deletions, new splice sites or gene expression fine-tuning4,5,6. We have shown previously that L1 retrotransposons are capable of mobilization in neuronal progenitor cells from rodents and humans and evidence of massive L1 insertions was observed in adult brain tissues but not in other somatic tissues7,8. In addition, L1 mobility in the adult hippocampus can be influenced by the environment9. The neuronal specificity of somatic L1 retrotransposition in neural progenitors is partially due to the transition of a Sox2/HDAC1 repressor complex to a Wnt-mediated T-cell factor/lymphoid enhancer factor (TCF/LEF) transcriptional activator7,10. The transcriptional switch accompanies chromatin remodelling during neuronal differentiation, allowing a transient stimulation of L1 transcription7. The activity of L1 retrotransposons during brain development can have an impact on gene expression and neuronal function, thereby increasing brain-specific genetic mosaicism11,12. Further understanding of the molecular mechanisms that regulate L1 expression should provide new insights into the role of L1 retrotransposition during brain development. Here we show that L1 neuronal transcription and retrotransposition in rodents are increased in the absence of methyl-CpG-binding protein 2 (MeCP2), a protein involved in global DNA methylation and human neurodevelopmental diseases. Using neuronal progenitor cells derived from human induced pluripotent stem cells and human tissues, we revealed that patients with Rett syndrome (RTT), carrying MeCP2 mutations, have increased susceptibility for L1 retrotransposition. Our data demonstrate that L1 retrotransposition can be controlled in a tissue-specific manner and that disease-related genetic mutations can influence the frequency of neuronal L1 retrotransposition. Our findings add a new level of complexity to the molecular events that can lead to neurological disorders.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease characterized by motor neuron death. ALS can be induced by mutations in the superoxide dismutase 1 gene (SOD1). Evidence for the non-cell-autonomous nature of ALS emerged from the observation that wild-type glial cells extended the survival of SOD1 mutant motor neurons in chimeric mice. To uncover the contribution of astrocytes to human motor neuron degeneration, we cocultured hESC-derived motor neurons with human primary astrocytes expressing mutated SOD1. We detected a selective motor neuron toxicity that was correlated with increased inflammatory response in SOD1-mutated astrocytes. Furthermore, we present evidence that astrocytes can activate NOX2 to produce superoxide and that effect can be reversed by antioxidants. We show that NOX2 inhibitor, apocynin, can prevent the loss of motor neurons caused by SOD1-mutated astrocytes. These results provide an assay for drug screening using a human ALS in vitro astrocyte-based cell model.

Autism spectrum disorders (ASD) are common, complex and heterogeneous neurodevelopmental disorders. Cellular and molecular mechanisms responsible for ASD pathogenesis have been proposed based on genetic studies, brain pathology and imaging, but a major impediment to testing ASD hypotheses is the lack of human cell models. Here, we reprogrammed fibroblasts to generate induced pluripotent stem cells, neural progenitor cells (NPCs) and neurons from ASD individuals with early brain overgrowth and non-ASD controls with normal brain size. ASD-derived NPCs display increased cell proliferation because of dysregulation of a β-catenin/BRN2 transcriptional cascade. ASD-derived neurons display abnormal neurogenesis and reduced synaptogenesis leading to functional defects in neuronal networks. Interestingly, defects in neuronal networks could be rescued by insulin growth factor 1 (IGF-1), a drug that is currently in clinical trials for ASD. This work demonstrates that selection of ASD subjects based on endophenotypes unraveled biologically relevant pathway disruption and revealed a potential cellular mechanism for the therapeutic effect of IGF-1.

Abstract The identification of mesenchymal stem cell (MSC) sources that are easily obtainable is of utmost importance. Several studies have shown that MSCs could be isolated from umbilical cord (UC) units. However, the presence of MSCs in umbilical cord blood (UCB) is controversial. A possible explanation for the low efficiency of MSCs from UCB is the use of different culture conditions by independent studies. Here, we compared the efficiency in obtaining MSCs from unrelated paired UCB and UC samples harvested from the same donors. Samples were processed simultaneously, under the same culture conditions. Although MSCs from blood were obtained from only 1 of the 10 samples, we were able to isolate large amounts of multipotent MSCs from all UC samples, which were able to originate different cell lineages. Since the routine procedure in UC banks has been to store the blood and discard other tissues, such as the cord and/or placenta, we believe our results are of immediate clinical value. Furthermore, the possibility of originating different cell lines from the UC of neonates born with genetic defects may provide new cellular research models for understanding human malformations and genetic disorders, as well as the possibility of testing the effects of different therapeutic drugs. Disclosure of potential conflicts of interest is found at the end of this article.