Investigation of the cellular and molecular effects of RELN gene variants in one patient with Autism Spectrum Disorder

O transtorno do espectro do autismo (TEA) constitui um grupo heterogêneo e altamente prevalente de doenças do neurodesenvolvimento. Análises genômicas recentes têm revelado um grande número de variantes genéticas potencialmente deletérias nos pacientes com TEA, a maioria rara ou privada. Um enorme desafio atual é determinar quais dentre essas variantes são as que de fato estão envolvidas na etiologia do transtorno nos pacientes, e quantas variantes patogênicas são necessárias para a penetrância completa do TEA em cada paciente. Recentemente, por meio do sequenciamento completo do exoma de um subgrupo de pacientes com TEA não-sindrômico - nos quais observamos hiperfuncionamento da via de sinalização intracelular mTORC1 - identificamos que um dos pacientes (referido como F2688) é heterozigoto composto para variantes de substituição de aminoácidos raras e potencialmente deletérias no gene ELN. Este gene codifica Relina, uma grande glicoproteína de matriz extracelular que, por meio da ativação da proteína Dab1 e de diferentes vias de sinalização intracelular, controla a migração e o posicionamento dos neurônios, a arborização de neuritos, e o funcionamento das sinapses em várias regiões do encéfalo, tanto no desenvolvimento embrionário como na vida adulta. Estudos anteriores já haviam descrito variantes em heterozigose potencialmente de perda de função no gene RELN em pacientes com TEA; contudo, nenhum desses estudos investigou disfunção da sinalização Relina-Dab1 nos pacientes e, portanto, os efeitos moleculares e celulares de tais variantes sobre células neurais humanas ainda são poucos explorados. Neste trabalho, utilizando células neuroprogenitoras (NPCs) derivadas de células-tronco pluripotentes induzidas do paciente F2688, de outros pacientes com TEA sem mutação em RELN (n=5) e de indivíduos controles (n=5), nós descrevemos que as NPCs do paciente F2688 apresentam: i) disfunção da via de sinalização Relina-Dab1; ii) hiperfuncionamento da via de sinalização mTORC1; iii) crosstalk anormal entre as vias de sinalização Relina-Dab1 e mTORC1, o qual é atenuado com o uso da rapamicina, um inibidor específico de mTORC1. Portanto, nossos resultados sugerem, pela primeira vez, uma relação anormal entre as vias de sinalização Relina-Dab1 e mTORC1 em TEA não-sindrômicoAutism Spectrum Disorder (ASD) is a heterogeneous and highly prevalent group of neurodevelopmental disorders. Whole-genome-based approaches have generated catalogues of thousands of rare and potentially deleterious genetic variants in ASD patients. However, the challenge now is to identify genuine disease-causing/risk variants among the multitude of variants discovered in each exome/genome and how many variants are required to cause the disease. Recently, we performed whole-exome sequencing in a subgroup of ASD patients - in whom we found mTORC1 signaling hyperfunction - and identified rare and potentially deleterious compound heterozygous variants in the RELN gene in one patient (called as F2688). The RELN gene encodes Reelin, a large secreted glycoprotein that controls neuronal migration, layer formation, neurite outgrowth, and plasticity of synapses in both the developing and the adult brain. Evidence from previous studies suggests that certain potential loss-of-function variants in RELN gene can contribute to ASD susceptibility; however, few studies today have directly demonstrated impairment of the Reelin signal transduction cascade in ASD patients and therefore, the molecular and cellular effects of these variants in human neuronal cells are still poorly explored. Here, by using induced pluripotent stem cells derived neuronal progenitor cells from F2688 patient, from other ASD patients who do not carry RELN disrupting variants (n=5) and from control individuals (n=5), we have demonstrated that F2688-derived NPCs show: i) impaired Reelin-Dab1 signaling; ii) overactive mTORC1 signaling; iii) and abnormal crosstalk between mTORC1 and Reelin-Dab1 signaling pathways, which it attenuated by rapamycin (a specific mTORC1 inhibitor). Taken together, our results point to an abnormal interplay between mTORC1 and Reelin-Dab1 networks in nonsyndromic AS