Studies on de novo DSCAM mutation from autism spectrum disorder patient using neurons induced from iPSC

Abstract

Autism spectrum disorder (ASD) is one of the neurodevelopmental disorders characterized by difficulties with social interaction, and repetitive behaviors. The complexity of ASD pathology causes struggles with genetic remedies and patient-specific research. Recent advance in human induced pluripotent stem cell (iPSC) technique suggests an innovative methodology to design patient-specific-in vitro ASD model. Here, we generated induced neuronal (iN) cells from iPSC derived from an ASD patient with a heterozygous point mutation in the DSCAM gene. ASD iN cells show significantly decreased mRNA and protein levels of DSCAM compared to control iN cells. Then we figured out that genes related to trans-synaptic signaling including NMDA receptor (R) subunits were down-regulated in ASD iN cells. NMDAR-mediated currents were also radically reduced in ASD iN cells. Defective NMDAR-mediated currents were restored by expressing wild-type DSCAM in ASD iN cells, whereas currents were significantly reduced by truncated DSCAM expression in control iN cells. Additionally, NMDAR subunit 1 (NR1) and DSCAM were co-localized in the neurites of iN cells, but co-localizations were significantly decreased in ASD iN cells. We suggest a low level of phospho-ERK1/2 in ASD iN cells as a potential mechanism with NMDAR function. These data suggest that heterozygous DSCAM mutation causes ASD pathology by NMDAR dysfunction.

자폐 스펙트럼 장애 (ASD)는 사회적 상호작용에 어려움을 겪거나 반복적인 행동을 증상으로 하는 신경발생학적 병증이다. ASD 병증은 다양성과 복잡성으로 인해, 유전적 치료와 환자 맞춤형 연구가 어려운 실정이다. 그러나 최근 유도만능줄기세포 기술의 발전으로 환자 맞춤형 ASD 모델을 설계할 수 있는 혁신적인 방안을 제시할 수 있게 되었다. 본 논문에서 저자는 자폐아에게서 채취한 섬유아세포를 역분화시켜 유도만능줄기세포를 만들었고, 이를 재분화시켜, 자폐아가 가진 이형접합성 DSCAM 돌연변이를 그대로 구현한 유도 신경 (iN) 세포를 만들어냈다. ASD iN 세포는 대조 군에 비해 DSCAM의 mRNA와 protein이 유의미하게 감소된 상태였다. 이후, transcriptomic analysis를 통해 ASD iN 세포에 NMDA 수용체를 비롯한 시냅스 형성 및 신호 전달에 관여하는 유전자들의 발현이 감소해 있음을 발견하였다. 더불어 ASD iN 세포에서 NMDA 수용체 매개 전류 역시 급격히 감소한 것을 확인하였다. ASD iN 세포에서 감소한 NMDA 수용체 매개 전류는 정상적인 DSCAM의 발현으로 회복된 반면, 대조 군의 NMDA 수용체 매개 전류는 돌연변이 형태의 DSCAM을 발현시켰을 때, 감소한 것을 확인하였다. NMDA 수용체 구성단위 중, NR1과 DSCAM은 신경돌기에서 인접하게 위치하고 있는데, ASD iN 세포에서는 co-localization 비율이 유의미하게 감소하였다. 또한, ASD iN 세포에서 인산화 된 ERK1/2도 감소함을 보임으로써 NMDA 수용체의 기능 조절에 관여하는 가능성 있는 분자적 메커니즘을 제시하였다. 본 논문을 통해 이형접합성 DSCAM 돌연변이가 NMDA 수용체의 기능 저하를 통해 자폐 증상을 나타나게 함을 밝혔다.