Background: Autism spectrum disorder (ASD) is a neurodevelopmental disorder with complex heritability and higher prevalence in males. Since the neonatal epigenome has the potential to reflect past interactions between genetic and environmental factors during early development, we performed whole-genome bisulfite sequencing of 152 umbilical cord blood samples from the MARBLES and EARLI high-familial risk prospective cohorts to identify an epigenomic signature of ASD at birth. Results: We identified differentially-methylated regions (DMRs) stratified by sex that discriminated ASD from control cord blood samples in discovery and replication sets. At a region level, 7 DMRs in males and 31 DMRs in females replicated across two independent groups of subjects, while 537 DMR genes in males and 1762 DMR genes in females replicated by gene association. These DMR genes were significantly enriched for brain and embryonic expression, X chromosome location, and identification in prior epigenetic studies of ASD in post-mortem brain. In males and females, autosomal ASD DMRs were significantly enriched for promoter and bivalent chromatin states across most cell types, while sex differences were observed for X-linked ASD DMRs. Lastly, these DMRs identified in cord blood were significantly enriched for binding sites of methyl-sensitive transcription factors relevant to fetal brain development. Conclusions: At birth, prior to the diagnosis of ASD, a distinct DNA methylation signature was detected in cord blood over regulatory regions and genes relevant to early fetal neurodevelopment. Differential cord methylation in ASD supports the developmental and sex-biased etiology of ASD, and provides novel insights for early diagnosis and therapy.

Background Autism spectrum disorder (ASD) is a neurodevelopmental disorder that affects more than 1% of children in the United States. ASD risk is thought to arise from both genetic and environmental factors, with the perinatal period as a critical window. Understanding early transcriptional changes in ASD would assist in clarifying disease pathogenesis and identifying biomarkers. However, little is known about umbilical cord blood gene expression profiles in babies later diagnosed with ASD compared to non-typically developing and non-ASD (Non-TD) or typically developing (TD) children.Methods Genome-wide transcript levels were measured by Affymetrix Human Gene 2.0 array in RNA from cord blood samples from both the Markers of Autism Risk in Babies--Learning Early Signs (MARBLES) and the Early Autism Risk Longitudinal Investigation (EARLI) high-risk pregnancy cohorts that enroll younger siblings of a child previously diagnosed with ASD. Younger siblings were diagnosed based on assessments at 36 months, and 59 ASD, 92 Non-TD, and 120 TD subjects were included. Using both differential expression analysis and weighted gene correlation network analysis, gene expression between ASD and TD, and between Non-TD and TD, was compared within each study and via meta-analysis.Results While cord blood gene expression differences comparing either ASD or Non-TD to TD did not reach genome-wide significance, 172 genes were nominally differentially-expressed between ASD and TD cord blood (log2(fold change) > 0.1, p < 0.01). These genes were significantly enriched for functions in xenobiotic metabolism, chromatin regulation, and systemic lupus erythematosus (FDR q < 0.05). In contrast, 66 genes were differentially-expressed between Non-TD and TD, including 8 genes that were also differentially-expressed in ASD. Gene coexpression modules were significantly correlated with demographic factors and cell type proportions.Limitations ASD-associated gene expression differences identified in this study are subtle, as cord blood is not the main affected tissue, it is composed of many cell types, and ASD is a heterogeneous disorder.Conclusions This is the first study to identify gene expression differences in cord blood specific to ASD. The results of this meta-analysis across two prospective pregnancy cohorts support involvement of environmental, immune, and epigenetic mechanisms in ASD etiology.

Dysregulation in immune responses during pregnancy increase the risk of a having a child with an autism spectrum disorder (ASD). Asthma is one of the most common chronic diseases among pregnant women, and symptoms often worsen during pregnancy. We recently developed a mouse model of maternal allergic asthma (MAA) that induces changes in sociability, repetitive and perseverative behaviors in the offspring. Since epigenetic changes help a static genome adapt to the maternal environment, activation of the immune system may epigenetically alter fetal microglia, the brain's resident immune cells. We therefore tested the hypothesis that epigenomic alterations to microglia may be involved in behavioral abnormalities observed in MAA offspring. We used the genome-wide approaches of whole genome bisulfite sequencing to examine DNA methylation and RNA sequencing to examine gene expression in microglia from juvenile MAA offspring. Differentially methylated regions (DMRs) were enriched for immune signaling pathways and important microglial developmental transcription factor binding motifs. Differential expression analysis identified genes involved in controlling microglial sensitivity to the environment and shaping neuronal connections in the developing brain. Differentially expressed associated genes significantly overlapped genes with altered expression in human ASD cortex, supporting a role for microglia in the pathogenesis of ASD.

Major clinical manifestations of Wilson disease (WD) are related to copper accumulation in the liver and the brain, and little is known about other tissues involvement in metabolic changes in WD. In vitro studies suggested that the loss of intestinal ATP7B could contribute to metabolic dysregulation in WD. We tested this hypothesis by evaluating gut microbiota and lipidome in two mouse models of WD and by characterizing a new mouse model with a targeted deletion of Atp7b in intestine.Cecal content 16S sequencing and untargeted hepatic and plasma lipidome analyses in the Jackson Laboratory toxic-milk and the Atp7b null global knockout mouse models of WD were profiled and integrated. Intestine-specific Atp7b knockout mice ( Atp7bΔIEC ) was generated using B6.Cg-Tg(Vil1-cre)997Gum/J mice and Atp7bLox/Lox mice, and characterized using targeted lipidome analysis following a high-fat diet challenge.Gut microbiota diversity was reduced in animal models of WD. Comparative prediction analysis revealed amino acid, carbohydrate, and lipid metabolism functions to be dysregulated in the WD gut microbial metagenome. Liver and plasma lipidomic profiles showed dysregulated tri- and diglyceride, phospholipid, and sphingolipid metabolism in WD models. When challenged with a high-fat diet, Atp7b ΔIEC mice exhibited profound alterations to fatty acid desaturation and sphingolipid metabolism pathways as well as altered APOB48 distribution in intestinal epithelial cells.Coordinated changes of gut microbiome and lipidome analyses underlie systemic metabolic manifestations in murine WD. Intestine-specific ATP7B deficiency affected both intestinal and systemic response to a high-fat challenge. WD is a systemic disease in which intestinal-specific ATP7B loss and diet influence phenotypic presentations.

DNA methylation acts at the interface of genetic and environmental factors relevant for autism spectrum disorder (ASD). Placenta, normally discarded at birth, is a potentially rich source of DNA methylation patterns predictive of ASD in the child. Here, we performed whole methylome analyses of placentas from a prospective study of high-risk pregnancies. 400 differentially methylated regions (DMRs) discriminated placentas stored from children later diagnosed with ASD compared to typical controls. These ASD DMRs were significantly enriched at promoters, mapped to 596 genes functionally enriched in neuronal development, and overlapped genetic ASD risk. ASD DMRs at CYP2E1 and IRS2 reached genome-wide significance, replicated by pyrosequencing, and correlated with expression. Methylation at CYP2E1 associated with both ASD diagnosis and cis genotype, while methylation at IRS2 was unaffected by cis genotype but modified by preconceptional maternal prenatal vitamin use. This study therefore identified two potentially useful early epigenetic markers for ASD in placenta.

Mutations in the X-linked gene MECP2 cause the majority of Rett syndrome (RTT) cases. Two differentially spliced isoforms of exons 1 and 2 (MeCP2-e1 and MeCP2-e2) contribute to the diverse functions of MeCP2, but only mutations in exon 1, not exon 2, are observed in RTT. We previously described an isoform-specific MeCP2-e1 deficient male mouse model of a human RTT mutation that lacks MeCP2-e1 while preserving expression of MeCP2-e2. However, RTT patients are heterozygous females that exhibit delayed and progressive symptom onset beginning in late infancy, including neurologic as well as metabolic, immune, respiratory, and gastrointestinal phenotypes. Consequently, we conducted a longitudinal assessment of symptom development in MeCP2-e1 mutant females and males. A delayed and progressive onset of motor impairments was observed in both female and male MeCP2-e1 mutant mice, including hind limb clasping and motor deficits in gait and balance. Because these motor impairments were significantly impacted by age-dependent increases in body weight, we also investigated metabolic phenotypes at an early stage of disease progression. Both male and female MeCP2-e1 mutants exhibited significantly increased body fat compared to sex-matched wild-type littermates prior to weight differences. Mecp2e1-/y males exhibited significant metabolic phenotypes of hypoactivity, decreased energy expenditure, increased respiratory exchange ratio (RER), but decreased food intake compared to wildtype. Untargeted analysis of lipid metabolites demonstrated a distinguishable profile in MeCP2-e1 female mutant liver characterized by increased triglycerides. Together these results demonstrate that MeCP2-e1 mutation in mice of both sexes recapitulate early and progressive metabolic and motor phenotypes of human RTT.

The BTBR T+Itpr3tf/J (BTBR) mouse has been used as a complex genetic model of Autism Spectrum Disorders (ASD). While the specific mechanisms underlying BTBR behavioral phenotypes are poorly understood, prior studies have implicated profound differences in innate immune system control of pro-inflammatory cytokines. Innate immune activation and elevated pro-inflammatory cytokines are also detected in blood of children with ASD. In this study, we examined how underlying BTBR genetic variants correspond to strain-specific changes in chromatin accessibility, resulting in a pro-inflammatory response specifically in BTBR bone marrow derived macrophages (BMDM). In response to repeated lipopolysaccharide (LPS) treatments, C57BL/6J (C57) BMDM exhibited intact endotoxin tolerance. In contrast, BTBR BMDM exhibited hyper-responsive expression of genes that were normally tolerized in C57. This failure in formation of endotoxin tolerance in BTBR was mirrored at the level of chromatin accessibility. Using ATAC-seq, we specifically identified promoter and enhancer regions with strain-specific differential chromatin accessibility both at baseline and in response to LPS. Regions with strain-specific differences in chromatin accessibility were significantly enriched for BTBR genetic variants, such that an average of 22% of the differential chromatin regions had at least one variant. Together, these results demonstrate that BTBR genetic variants contribute to altered chromatin responsiveness to endotoxin challenge and a failure in formation of tolerance, resulting in a hyper-responsive innate immunity in BTBR. These findings provide evidence for an interaction between complex genetic variants and differential epigenetic regulation of innate immune responses. Our findings also provide novel mechanistic insight into the complex genetic architecture and immune abnormalities observed in ASD.

A vast amount of public RNA-sequencing datasets have been generated and used widely to study transcriptome mechanisms. These data offer precious opportunity for advancing biological research in transcriptome studies such as alternative splicing. We report the first large-scale integrated analysis of RNA-Seq data of splicing factors for systematically identifying key factors in diseases and biological processes. We analyzed 1,321 RNA-Seq libraries of various mouse tissues and cell lines, comprising more than 6.6 TB sequences from 75 independent studies that experimentally manipulated 56 splicing factors. Using these data, RNA splicing signatures and gene expression signatures were computed, and signature comparison analysis identified a list of key splicing factors in Rett syndrome and cold-induced thermogenesis. We show that cold-induced RNA-binding proteins rescue the neurite outgrowth defects in Rett syndrome using neuronal morphology analysis, and we also reveal that SRSF1 and PTBP1 are required for energy expenditure in adipocytes using metabolic flux analysis. Our study provides an integrated analysis for identifying key factors in diseases and biological processes and highlights the importance of public data resources for identifying hypotheses for experimental testing.

Abstract Background The prenatal period is a critical window to study factors involved in the development of autism spectrum disorder (ASD). Environmental factors, especially in utero nutrition, can interact with genetic risk for ASD, but how specific prenatal nutrients in mothers of children later diagnosed with ASD or non-typical development (Non-TD) associate with gestational gene expression is poorly understood. Maternal blood collected prospectively during pregnancy provides a new opportunity to gain insights into nutrition, particularly one-carbon metabolites, on gene pathways and neurodevelopment. Methods Genome-wide transcriptomes were measured using microarrays in 300 maternal blood samples from all three trimesters in the Markers of Autism Risk in Babies - Learning Early Signs (MARBLES) study. Sixteen different one-carbon metabolites, including folic acid, betaine, 5’-methyltretrahydrofolate (5-MeTHF), and dimethylglycine (DMG) were measured. Differential expression analysis and weighted gene correlation network analysis (WGCNA) were used to compare gene expression between children later diagnosed as typical development (TD), Non-TD and ASD, and to nutrient metabolites. Results Using differential gene expression analysis, six transcripts associated with four genes ( TGR-AS1, SQSTM1, HLA-C and RFESD ) showed genome-wide significance (FDR q < 0.05) with child outcomes. Genes nominally differentially expressed compared to TD specifically in ASD, but not Non-TD, significantly overlapped with seven high confidence ASD genes. 218 transcripts in common to ASD and Non-TD differential expression compared to TD were significantly enriched for functions in immune response to interferon-gamma, apoptosis, and metal ion transport. WGCNA identified co-expressed gene modules significantly correlated with 5-MeTHF, folic acid, DMG, and betaine. A module enriched in DNA methylation functions showed a protective association with folic acid/5-MeTHF concentrations and ASD risk. Independent of child outcome, maternal plasma betaine and DMG concentrations associated with a block of co-expressed genes enriched for adaptive immune, histone modification, and RNA processing functions. Limitations Blood contains a heterogeneous mixture of cell types, and many WGCNA modules correlated with cell type and/or nutrient concentrations, but not child outcome. Gestational age correlated with some co-expressed gene modules in addition to nutrients. Conclusions These results support the premise that the prenatal maternal blood transcriptome is a sensitive indicator of gestational nutrition and children’s later neurodevelopmental outcomes.

Abstract The pathogenesis of Wilson disease (WD) is multi-factorial, involving hepatic and brain copper accumulation due to pathogenic variants affecting the ATP7B gene and downstream epigenetic and metabolic mechanisms. Prior DNA methylation investigations in human WD liver and blood and in a WD mouse model revealed an epigenetic signature of WD, including alterations in the histone deacetylase HDAC5. To test the hypothesis that histone acetylation is altered with respect to copper overload and aberrant DNA methylation in WD, we investigated class IIa histone deacetylases (HDAC4 and HDAC5) and H3K9/H3K27 histone acetylation in the Jackson Laboratory toxic milk (tx-j) mouse model of WD compared to C3HeB/FeJ (C3H) control in response to 3 treatments: 60% kcal fat diet (HFD), D-penicillamine (PCA, copper chelator), and choline (methyl group donor). HDAC5 levels significantly increased in 9-week tx-j livers after 8 days of HFD compared to chow. In 24-week tx-j livers, HDAC4/5 levels were reduced 5- to 10-fold compared to C3H likely through mechanisms involving HDAC phosphorylation. HDAC4/5 levels were also affected by disease progression and accompanied by increased acetylation. PCA and choline partially restored HDAC4, HDAC5, H3K9ac, and H3K27ac levels to that of CH3 liver. Integrated RNA and chromatin immunoprecipitation sequencing analyses revealed genes regulating energy metabolism and cellular stress/development were, in turn, regulated by histone acetylation in tx-j mice compared to C3H, with Pparα and Pparγ among the most relevant targets. These results suggest dietary modulation of class IIa HDAC4/5, and subsequent H3K9/H3K27 acetylation/deacetylation, can regulate gene expression in key metabolic pathways in the pathogenesis of WD. Significance Statement Wilson disease is considered a monogenic disease caused by pathogenic variants in the ATP7B copper transporter, resulting in hepatic and brain copper accumulation. Given the lack of genotype-phenotype correlation, evidence of epigenetic and metabolic mechanisms regulating phenotype in patients and in animal models could explain the high phenotype variability observed in WD. In this study, we identify class IIa histone deacetylases as players involved in the epigenetic regulation of key metabolic pathways that can affect WD severity as well as targets sensitive to dietary modulations, which is an important characteristic for designing effective and feasible therapies. Understanding the epigenetic mechanisms in WD pathogenesis contributes to a better understanding of the phenotypic variability in WD and other common liver conditions.