Genetic studies have identified dozens of autism spectrum disorder (ASD) susceptibility genes, raising two critical questions: (1) do these genetic loci converge on specific biological processes, and (2) where does the phenotypic specificity of ASD arise, given its genetic overlap with intellectual disability (ID)? To address this, we mapped ASD and ID risk genes onto coexpression networks representing developmental trajectories and transcriptional profiles representing fetal and adult cortical laminae. ASD genes tightly coalesce in modules that implicate distinct biological functions during human cortical development, including early transcriptional regulation and synaptic development. Bioinformatic analyses suggest that translational regulation by FMRP and transcriptional coregulation by common transcription factors connect these processes. At a circuit level, ASD genes are enriched in superficial cortical layers and glutamatergic projection neurons. Furthermore, we show that the patterns of ASD and ID risk genes are distinct, providing a biological framework for further investigating the pathophysiology of ASD.

The regenerative capacity of the injured CNS in adult mammals is severely limited, yet axons in the peripheral nervous system (PNS) regrow, albeit to a limited extent, after injury. We reasoned that coordinate regulation of gene expression in injured neurons involving multiple pathways was central to PNS regenerative capacity. To provide a framework for revealing pathways involved in PNS axon regrowth after injury, we applied a comprehensive systems biology approach, starting with gene expression profiling of dorsal root ganglia (DRGs) combined with multi-level bioinformatic analyses and experimental validation of network predictions. We used this rubric to identify a drug that accelerates DRG neurite outgrowth in vitro and optic nerve outgrowth in vivo by inducing elements of the identified network. The work provides a functional genomics foundation for understanding neural repair and proof of the power of such approaches in tackling complex problems in nervous system biology.

ABSTRACT A fundamental question in the biology of sex-differences has eluded direct study in humans: how does sex chromosome dosage (SCD) shape genome function? To address this, we developed a systematic map of SCD effects on gene function by analyzing genome-wide expression data in humans with diverse sex chromosome aneuploidies (XO, XXX, XXY, XYY, XXYY). For sex chromosomes, we demonstrate a pattern of obligate dosage sensitivity amongst evolutionarily preserved X-Y homologs, and update prevailing theoretical models for SCD compensation by detecting X-linked genes whose expression increases with decreasing X- and/or Y-chromosome dosage. We further show that SCD-sensitive sex chromosome genes regulate specific co-expression networks of SCD-sensitive autosomal genes with critical cellular functions and a demonstrable potential to mediate previously documented SCD effects on disease. Our findings detail wide-ranging effects of SCD on genome function with implications for human phenotypic variation. SIGNIFICANCE STATEMENT Sex chromosome dosage (SCD) effects on human gene expression are central to the biology of sex differences and sex chromosome aneuploidy syndromes, but challenging to study given the co-segregation of SCD and gonadal status. We address this obstacle by systematically modelling SCD effects on genome wide expression data from a large and rare cohort of individuals with diverse SCDs (XO, XX, XXX, XXXX, XY, XXY, XYY, XXYY, XXXXY). Our findings update current models of sex chromosome biology by (i) pinpointing a core set of X- and Y-linked genes with “obligate” SCD sensitivity, (ii) discovering several non-canonical modes of X-chromosome dosage compensation, and (iii) dissecting complex regulatory effects of X-chromosome dosage on large autosomal gene networks with key roles in cellular functioning.

ABSTRACT Background COPD patients exhibit skeletal muscle atrophy, denervation, and reduced mitochondrial oxidative capacity. Whilst chronic tobacco smoke exposure is implicated in COPD muscle impairment, the mechanisms involved are ambiguous. The aryl hydrocarbon receptor (AHR) is a ligand-activated transcription factor that activates detoxifying pathways with numerous exogenous ligands, including tobacco smoke. Whereas transient AHR activation is adaptive, chronic activation can be toxic. On this basis, we tested the hypothesis that chronic smoke-induced AHR activation causes adverse muscle impact. Methods We used clinical patient muscle samples, and in vitro (C2C12 myotubes) and in vivo models (mouse), to perform gene expression, mitochondrial function, muscle and neuromuscular junction morphology, and genetic manipulations (adeno-associated virus-mediated gene transfer). Results 16 weeks tobacco smoke exposure in mice caused: muscle atrophy, neuromuscular junction degeneration, and reduced oxidative capacity. Similarly, smoke exposure reprogrammed the muscle transcriptome, with down-regulation of mitochondrial and neuromuscular junction genes. In mouse and human patient specimens, smoke exposure increased muscle AHR signaling. Mechanistically, experiments in cultured myotubes demonstrated that smoke condensate activated the AHR, caused mitochondrial impairments, and induced an AHR-dependent myotube atrophy. Finally, to isolate the role of AHR activity, expression of a constitutively active AHR mutant without smoke exposure caused atrophy and mitochondrial impairments in cultured myotubes, and muscle atrophy and neuromuscular junction degeneration in mice. Conclusions These results establish that chronic AHR activity, as occurs in smokers, phenocopies the atrophy, mitochondrial impairment and neuromuscular junction degeneration caused by chronic tobacco smoke exposure.

Friedreich9s Ataxia (FRDA) is a neurodegenerative disorder caused by reduced frataxin (FXN) levels. It leads to motor and sensory impairments and has a median life expectancy of around 35 years. As the most common inherited form of ataxia with no cure, FRDA lacks reliable, non-invasive biomarkers, prolonging and inflating the cost of clinical trials. This study identifies long non-coding RNA Tug1 as a potential blood-based FRDA biomarker. In a previous study using a frataxin knockdown mouse model (FRDAkd), we observed several hallmark FRDA symptoms and abnormalities in various tissues. Building on this, we hypothesized that a dual-source approach-comparing the data from peripheral blood samples from FRDA patients with tissue samples from affected areas in FRDAkd mice, tissues usually unattainable from patients-would effectively identify robust biomarkers. A comprehensive reanalysis was conducted on gene expression data from 183 age- and sex-matched peripheral blood samples of FRDA patients, carriers, and controls, as well as 192 tissue datasets from FRDAkd mice. Blood and tissue samples underwent RNA isolation and qRT-PCR, and frataxin knockdown was confirmed through ELISA. Tug1 RNA interaction was explored via RNA pull-down assays. Validation was performed in serum and blood samples on an independent set of 45 healthy controls, 45 FRDA patients; 66 heterozygous carriers, and 72 FRDA patients. Tug1 and Slc40a1 emerged as potential blood-based biomarkers, confirmed in the FRDAkd mouse model (One-way ANOVA, p ≤ 0.05). Tug1 was consistently downregulated after Fxn knockdown and correlated strongly with Fxn levels (R2 = 0.71 during depletion, R2 = 0.74 during rescue). Slc40a1 showed a similar but tissue-specific pattern. Further validation of Tug19s downstream targets strengthened its biomarker candidacy. In additional human samples, TUG1 levels were significantly downregulated in both whole blood and serum of FRDA patients compared to controls (Wilcoxon signed-rank test, p < 0.05). Regression analyses revealed a negative correlation between TUG1 levels and disease onset (p < 0.0037), and positive correlations with disease duration and Functional Disability Stage score (p < 0.04). This suggests that elevated TUG1 levels correlate with earlier onset and more severe cases. In summary, this study highlights Tug1 as a crucial blood-based biomarker for FRDA. Tug19s consistent expression variance across human and mouse tissues is closely associated to disease severity and key FRDA pathways. It also correlates strongly with Fxn levels, making it a promising early, non-invasive marker. TUG1 offers potential for FRDA monitoring and therapeutic development, warranting further clinical research.

Friedreich's ataxia (FRDA), the most common inherited ataxia, is caused by recessive mutations that reduce the levels of frataxin (FXN), a mitochondrial iron binding protein. We developed an inducible mouse model of Fxn deficiency that enabled us to control the onset and progression of disease phenotypes by the modulation of Fxn levels. Systemic knockdown of Fxn in adult mice led to multiple phenotypes paralleling those observed in human patients across multiple organ systems. By reversing knockdown after clinical features appear, we were able to determine to what extent observed phenotypes represent reversible cellular dysfunction. Remarkably, upon restoration of near wild-type FXN levels, we observed significant recovery of function, associated pathology and transcriptomic dysregulation even after substantial motor dysfunction and pathology were observed. This model will be of broad utility in therapeutic development and in refining our understanding of the relative contribution of reversible cellular dysfunction at different stages in disease.

Abstract The positive impact of meditation on human wellbeing is well documented, yet its molecular mechanisms are incompletely understood. We applied a comprehensive systems biology approach starting with whole blood gene expression profiling combined with multi-level bioinformatic analyses to characterize the co-expression, transcriptional, and protein-protein interaction networks to identify meditation-specific core network after an advanced 8-day Inner Engineering retreat program. We found the response to oxidative stress, detoxification, and cell cycle regulation pathways were downregulated after meditation. Strikingly, 220 genes directly associated with immune response, including 68 genes related to interferon (IFN) signaling were upregulated, with no significant expression changes in the inflammatory genes. This robust meditation-specific immune response network is significantly dysregulated in multiple sclerosis and severe COVID-19 patients. The work provides a foundation for understanding the effect of meditation and potential implications to voluntarily and non-pharmacologically improve the immune response before immunotherapy for many conditions, including multiple sclerosis and COVID-19 vaccination.