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 Complex direct and indirect relationships between multiple variables are a characteristic of all natural systems and are defined as higher order interactions (HOIs). Traditional differential and network analyses fail to account for the richness of omic datasets and miss HOIs. We investigated genome-wide peripheral blood DNA methylation data from Kabuki syndrome type 1 (KS1) and control individuals, identified 2,002 differentially methylated points (DMPs), and inferred 17 differentially methylated regions, which represent only 189 DMPs. We followed these results with quantification of HOIs by applying hypergraph network models on all the CpGs in the two datasets and revealed differences in co-ordination of the DMPs along with lower entropy and higher co-ordination of the peripheral epigenome in KS1 implying reduced network complexity. We demonstrate that the hypergraph approach captures substantially more information, enables factoring trans-relationships, and identifies biologically relevant pathways that escape the standard analyses. These findings construct the basis of a suitable model that is not computationally intensive for the analysis of the organisation of the epigenome in rare diseases. This approach can be applied to other types of omic datasets, and to other fields of science and medicine to investigate mechanism in big data.

Abstract Osteoarthritis is the most common degenerative joint condition, leading to articular cartilage (AC) degradation, chronic pain and immobility. The lack of appropriate therapies that provide tissue restoration combined with the limited lifespan of joint-replacement implants indicate the need for alternative AC regeneration strategies. Differentiation of human pluripotent stem cells (hPSCs) into AC progenitors may provide a long-term regenerative solution but are still limited due to the continued reliance upon growth factors to recapitulate developmental signalling processes. Recently, TTNPB, a small molecule activator of retinoic acid receptors (RARs), has been shown to be sufficient to guide mesodermal specification and early chondrogenesis of hPSCs. Here, we modified our previous differentiation protocol, by supplementing cells with TTNPB and administering BMP2 at specific times to enhance early development. Transcriptomic analyses indicated that activation of RAR signalling significantly upregulated genes related to limb and embryonic skeletal development in the early stages of the protocol and upregulated genes related to AC development in later stages. Chondroprogenitors obtained from RAPID-E could generate cartilaginous pellets that expressed AC-related matrix proteins such as Lubricin, Aggrecan, and Collagen II. This protocol could lay the foundations for cell therapy strategies for osteoarthritis and improve the understanding of AC development in humans.