Abstract Parkinson’s disease (PD) is the second most prevalent neurodegenerative disease. Primary symptoms of PD arise with the loss of dopaminergic (DA) neurons in the Substantia Nigra Pars Compacta, but it affects the hippocampus and cortex also, usually in its later stage. Approximately 15% of PD cases familial with a genetic mutation. Two of the most associated genes with autosomal recessive (AR) early-onset familial PD are PINK1 and PARK2 . There is a need for in-vitro studies of these genetic mutations in order to understand the neurophysiological changes in patients’ neurons that may contribute to neurodegeneration. In this work, we generated and differentiated DA and hippocampal neurons from iPSCs derived from two patients with a double mutation in their PINK1 and PARK2 (one homozygous and one heterozygous) genes and assessed their neurophysiology compared to two healthy controls. We showed that the synaptic activity of PD neurons generated from patients with the PINK1 and PARK2 mutations is impaired in the hippocampus and dopaminergic neurons. Mutant dopaminergic neurons had enhanced excitatory post-synaptic activity. In addition, DA neurons with the homozygous mutation of PINK1 exhibited more pronounced electrophysiological differences compared to the control neurons. Signaling network analysis of RNA sequencing results revealed that Focal adhesion and ECM receptor pathway were the top 2 upregulated pathways in the mutant PD neurons. These phenotypes are reversed to PD phenotypes of other mutations, suggesting that the interaction of the two mutations may yield different mechanisms of PD.

Abstract Several mutations that cause Parkinson’s disease (PD) have been identified over the past decade. These account for 15-25% of PD cases; the rest of the cases are considered sporadic. Currently, it is accepted that PD is not a single monolithic disease but rather a constellation of diseases with some common phenotypes. While rodent models exist for some of the PD-causing mutations, research on the sporadic forms of PD is lagging due to a lack of cellular models. In our study, we differentiated PD patient-derived dopaminergic (DA) neurons from induced pluripotent stem cells (iPSCs) of several PD-causing mutations as well as from sporadic PD patients. Strikingly, we observed a common neurophysiological phenotype: Neurons derived from PD patients had a severe reduction in the rate of synaptic currents compared to those derived from healthy controls. While the relationship between mutations in genes such as the SNCA and LRRK2 and a reduction in synaptic transmission has been investigated before, here we show evidence that the pathogenesis of the synapses in neurons is a general phenotype in PD. Analysis of RNA sequencing results displayed changes in gene expression in different synaptic mechanisms as well as other affected pathways such as extracellular matrix-related pathways. Some of these dysregulated pathways are common to all PD patients (monogenic or idiopathic). Our data, therefore, shows changes that are central and convergent to PD and suggests a strong involvement of the tetra-partite synapse in PD pathophysiology.

Abstract Autism Spectrum Disorder (ASD) is characterized mainly by social and sensory-motor abnormal and repetitive behavior patterns. Over hundreds of genes and thousands of genetic variants were reported to be highly penetrant and causative of ASD. Many of these mutations cause comorbidities such as epilepsy and intellectual disabilities (ID). In this study, we measured cortical neurons derived from induced pluripotent stem cells (iPSCs) of patients with four mutations in the genes GRIN2B, SHANK3, UBTF , as well as chromosomal duplication in the 7q11.23 region and compared them to neurons derived from a first-degree relative without the mutation. Using a whole-cell patch-clamp, we observed that the mutant cortical neurons demonstrated hyperexcitability and early maturation compared to control lines. These changes were characterized by increased sodium currents, increased amplitude and rate of excitatory postsynaptic currents (EPSCs), and more evoked action potentials in response to current stimulation in early-stage cell development (3-5 weeks post differentiation). These changes that appeared in all the different mutant lines, together with previously reported data, indicate that an early maturation and hyperexcitability may be a convergent phenotype of ASD cortical neurons.

ABSTRACT Schizophrenia (SCZ) is a highly heritable, polygenic neuropsychiatric disease, which disables the patients as well as decreases their life expectancy and quality of life. Common and Rare variants studies on SCZ subjects have provided more than 100 genomic loci that hold importance in the context of SCZ pathophysiology. Transcriptomic studies from clinical samples have informed about the differentially expressed genes (DEGs) and non-coding RNAs in SCZ patients. Despite these advancements, no causative genes for SCZ were found and hence SCZ is difficult to recapitulate in animal models. In the last decade, induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs)-based models have helped in understanding the neural phenotypes of SCZ by studying patient iPSC-derived 2D neuronal cultures and 3D brain organoids. Here, we have aimed to provide a simplistic overview of the current progress and advancements after synthesizing the enormous literature on SCZ genetics and SCZ iPSC-based models. Although further understanding of SCZ genetics and mechanisms using these technological advancements is required, the recent approaches have allowed to delineate important cellular mechanisms and biological pathways affected in SCZ.

Abstract This research investigates the genetic signatures associated with a high risk of suicide in Bipolar disorder (BD) patients through RNA sequencing analysis of lymphoblastoid cell lines (LCLs). By identifying differentially expressed genes (DEGs) and their enrichment in pathways and disease associations, we uncover insights into the molecular mechanisms underlying suicidal behavior. LCL gene expression analysis reveals significant enrichment in pathways related to primary immunodeficiency, ion channel, and cardiovascular defects. Notably, genes such as LCK , KCNN2 , and GRIA1 emerged as pivotal in these pathways, suggesting their potential roles as biomarkers. Machine learning models trained on a subset of the patients and then tested on other patients demonstrate high accuracy in distinguishing low and high-risk of suicide in BD patients. Moreover, the study explores the genetic overlap between suicide-related genes and several psychiatric disorders. This comprehensive approach enhances our understanding of the complex interplay between genetics and suicidal behavior, laying the groundwork for future prevention strategies.

Abstract Phelan-McDermid syndrome (PMS) is a rare genetic condition that causes global developmental disability, delayed or absent speech, and autism spectrum disorder. The loss of function of one copy of SHANK3 , which codes for a scaffolding protein found in the postsynaptic density of synapses, has been identified as the main cause of PMS. We report the generation and characterization of two induced pluripotent stem cell (iPSC) lines derived from one patient with a SHANK3 mutation and the patient’s mother as a control. Both lines expressed pluripotency markers, differentiated into the three germ layers, retained the disease-causing mutation, and displayed normal karyotypes.