Monoallelic and bi-allelic variants in NCDN cause neurodevelopmental delay, intellectual disability, and epilepsy

• DOI: 10.1016/j.ajhg.2021.02.015
• Publication Date: 2021-03-11T20:53:19Z
• Authors: Ambrin Fatima; Jan Hoeber; Jens Schuster; Eriko Koshimizu; Carolina Maya-Gon...; Boris Keren; Cyril Mignot; Talia Akram; Zafar Ali; Satoko Miyatake; Junpei Tanigawa; Takayoshi Koike; Mitsuhiro Kato; Yoshiko Murakami; Uzma Abdullah; Muhammad Akhtar Ali; Rein Fadoul; Loora Laan; Casimiro Castille...; Maarika Liik; Zhe Jin; Bryndis Birnir; Naomichi Matsumoto; Shahid M. Baig; Joakim Klar; Niklas Dahl
• Keywords: Male; 0301 basic medicine; speech delay; Intellectual disability; neurite formation; Gene; Consanguinity; Pakistan; Missense mutation; NCDN gene; Allele; Life Sciences; Phenotype; intellectual disability; RNA Methylation and Modification in Gene Expression; Child, Preschool; Molecular Basis of Rett Syndrome and Related Disorders; [SDV.NEU]Life Sciences [q-bio]/Neurons and Cognition [q-bio.NC]; Female; Neurovetenskaper; Adolescent; Mutation, Missense; Nerve Tissue Proteins; Neurite; neurodevelopmental delay; Cell Line; 03 medical and health sciences; In vitro; Report; Intellectual Disability; Biochemistry, Genetics and Molecular Biology; Neurites; Genetics; Humans; Language Development Disorders; Molecular Biology; Biology; Alleles; Epilepsy; Base Sequence; Neurosciences; Brain Development; Correction; Infant; Standards and Guidelines for Genetic Variant Interpretation; missense variant; mGluR5 signaling; [SDV.GEN.GH]Life Sciences [q-bio]/Genetics/Human genetics; Neural development; Neurodevelopmental Disorders; FOS: Biological sciences; Mutation; epilepsy; Neurological Diseases; de novo variant; Neuroscience

La neurocondrina (NCDN) es una proteína neural citoplasmática de importancia para el crecimiento neural, la señalización del receptor de glutamato (mGluR) y la plasticidad sináptica. La pérdida condicional de Ncdn en el tejido neural de ratones causa comportamientos similares a la depresión, deterioro del aprendizaje espacial y convulsiones epilépticas. Informamos sobre las variantes de sentido erróneo de la NCDN en seis individuos afectados con grados variables de retraso en el desarrollo, discapacidad intelectual (DI) y convulsiones. Se encontraron tres hermanos homocigotos para una variante de sentido erróneo de NCDN, mientras que otros tres individuos no relacionados portaban diferentes variantes de sentido erróneo de novo en NCDN. Analizamos las variantes sin sentido por su capacidad para rescatar la formación de neuritas alteradas en células de neuroblastoma humano (SH-SY5Y) agotadas de NCDN. La sobreexpresión de NCDN de tipo salvaje rescató el fenotipo de neuritas en contraste con la expresión de NCDN que contiene las variantes de los individuos afectados. Dos variantes sin sentido, asociadas con características graves del neurodesarrollo y epilepsia, no pudieron restaurar la fosforilación de ERK inducida por mGluR5. El análisis electrofisiológico de las células SH-SY5Y agotadas de NCDN mostró un potencial de membrana alterado y potenciales de acción deteriorados en la repolarización, lo que sugiere que se requiere NCDN para las propiedades biofísicas normales. Usando los datos disponibles del transcriptoma de la corteza fetal humana, mostramos que la NCDN se expresa altamente en las neuronas excitadoras en maduración. En combinación, nuestros datos proporcionan evidencia de que las variantes bialélicas y de novo en la NCDN causan una forma clínicamente variable de retraso del desarrollo neurológico y epilepsia, lo que destaca un papel fundamental de la NCDN en el desarrollo del cerebro humano.<br/>La neurochondrine (NCDN) est une protéine neurale cytoplasmique importante pour la croissance neurale, la signalisation du récepteur du glutamate (mGluR) et la plasticité synaptique. La perte conditionnelle de Ncdn dans les tissus neuronaux de souris provoque des comportements dépressifs, une altération de l'apprentissage spatial et des crises d'épilepsie. Nous rapportons des variantes de malentendus NCDN chez six personnes touchées présentant des degrés variables de retard de développement, de déficience intellectuelle (DI) et de convulsions. Trois frères et sœurs ont été trouvés homozygotes pour une variante faux-sens de NCDN, tandis que trois autres personnes non apparentées portaient différentes variantes faux-sens de novo dans NCDN. Nous avons testé les variants faux-sens pour leur capacité à sauver la formation de neurites altérée dans les cellules de neuroblastome humain (SH-SY5Y) appauvries en NCDN. La surexpression du NCDN de type sauvage a sauvé le phénotype des neurites contrairement à l'expression du NCDN contenant les variants des individus affectés. Deux variantes faux-sens, associées à des caractéristiques neurodéveloppementales sévères et à l'épilepsie, ont été incapables de restaurer la phosphorylation ERK induite par mGluR5. L'analyse électrophysiologique des cellules SH-SY5Y appauvries en NCDN a montré un potentiel membranaire altéré et des potentiels d'action altérés à la repolarisation, suggérant que NCDN soit nécessaire pour des propriétés biophysiques normales. En utilisant les données transcriptomiques disponibles du cortex fœtal humain, nous montrons que le NCDN est fortement exprimé dans les neurones excitateurs en maturation. En combinaison, nos données fournissent des preuves que les variantes bialléliques et de novo de la NCDN provoquent une forme cliniquement variable de retard neurodéveloppemental et d'épilepsie, soulignant un rôle essentiel de la NCDN dans le développement du cerveau humain.<br/>Neurochondrin (NCDN) هو بروتين عصبي سيتوبلازمي مهم للنمو العصبي، وإشارات مستقبلات الغلوتامات (mGluR)، واللدونة المشبكية. يسبب الفقدان المشروط لـ Ncdn في الأنسجة العصبية للفئران سلوكيات شبيهة بالاكتئاب، وضعف التعلم المكاني، ونوبات الصرع. نقدم تقريرًا عن المتغيرات الخاطئة لـ NCDN في ستة أفراد مصابين بدرجات متفاوتة من تأخر النمو والإعاقة الذهنية (ID) والنوبات. تم العثور على ثلاثة أشقاء متماثلين في الزيجوت لمتغير الخطأ في NCDN، في حين أن ثلاثة أفراد آخرين غير مرتبطين يحملون متغيرات خطأ جديدة مختلفة في NCDN. قمنا بفحص المتغيرات الخاطئة لقدرتها على إنقاذ تكوين الخلايا العصبية الضعيفة في خلايا ورم الخلايا البدائية العصبية البشرية (SH - SY5Y) المستنفدة من NCDN. أنقذ الإفراط في التعبير عن الشبكة الوطنية لمكافحة الأمراض غير المعدية من النوع البري النمط الظاهري العصبي على النقيض من التعبير عن الشبكة الوطنية لمكافحة الأمراض غير المعدية التي تحتوي على متغيرات الأفراد المتضررين. لم يتمكن اثنان من المتغيرات الخاطئة، المرتبطة بسمات النمو العصبي الشديدة والصرع، من استعادة فسفرة ERK المستحثة بـ mGluR5. أظهر التحليل الفيزيولوجي الكهربائي لخلايا SH - SY5Y المستنفدة من NCDN إمكانات غشائية متغيرة وإمكانات عمل ضعيفة عند إعادة الاستقطاب، مما يشير إلى أن NCDN مطلوبة للخصائص الفيزيائية الحيوية الطبيعية. باستخدام بيانات transcriptome المتاحة من قشرة الجنين البشري، نظهر أن NCDN يتم التعبير عنها بشكل كبير في الخلايا العصبية المثيرة الناضجة. توفر بياناتنا مجتمعة دليلاً على أن المتغيرات ثنائية الأليل ومتغيرات جديدة في الأمراض غير المعدية تسبب شكلاً متغيرًا سريريًا من تأخر النمو العصبي والصرع، مما يسلط الضوء على الدور الحاسم الذي تلعبه الأمراض غير المعدية في نمو الدماغ البشري.<br/>Neurochondrin (NCDN) is a cytoplasmic neural protein of importance for neural growth, glutamate receptor (mGluR) signaling, and synaptic plasticity. Conditional loss of Ncdn in mice neural tissue causes depressive-like behaviors, impaired spatial learning, and epileptic seizures. We report on NCDN missense variants in six affected individuals with variable degrees of developmental delay, intellectual disability (ID), and seizures. Three siblings were found homozygous for a NCDN missense variant, whereas another three unrelated individuals carried different de novo missense variants in NCDN. We assayed the missense variants for their capability to rescue impaired neurite formation in human neuroblastoma (SH-SY5Y) cells depleted of NCDN. Overexpression of wild-type NCDN rescued the neurite-phenotype in contrast to expression of NCDN containing the variants of affected individuals. Two missense variants, associated with severe neurodevelopmental features and epilepsy, were unable to restore mGluR5-induced ERK phosphorylation. Electrophysiological analysis of SH-SY5Y cells depleted of NCDN exhibited altered membrane potential and impaired action potentials at repolarization, suggesting NCDN to be required for normal biophysical properties. Using available transcriptome data from human fetal cortex, we show that NCDN is highly expressed in maturing excitatory neurons. In combination, our data provide evidence that bi-allelic and de novo variants in NCDN cause a clinically variable form of neurodevelopmental delay and epilepsy, highlighting a critical role for NCDN in human brain development.<br/>Neurochondrin (NCDN) is a cytoplasmatic neural protein of importance for neural growth, glutamate receptor (mGluR) signaling, and synaptic plasticity. Conditional loss of Ncdn in mice neural tissue causes depressive-like behaviors, impaired spatial learning, and epileptic seizures. We report on NCDN missense variants in six affected individuals with variable degrees of developmental delay, intellectual disability (ID), and seizures. Three siblings were found homozygous for a NCDN missense variant, whereas another three unrelated individuals carried different de novo missense variants in NCDN. We assayed the missense variants for their capability to rescue impaired neurite formation in human neuroblastoma (SH-SY5Y) cells depleted of NCDN. Overexpression of wild-type NCDN rescued the neurite-phenotype in contrast to expression of NCDN containing the variants of affected individuals. Two missense variants, associated with severe neurodevelopmental features and epilepsy, were unable to restore mGluR5-induced ERK phosphorylation. Electrophysiological analysis of SH-SY5Y cells depleted of NCDN exhibited altered membrane potential and impaired action potentials at repolarization, suggesting NCDN to be required for normal biophysical properties. Using available transcriptome data from human fetal cortex, we show that NCDN is highly expressed in maturing excitatory neurons. In combination, our data provide evidence that bi-allelic and de novo variants in NCDN cause a clinically variable form of neurodevelopmental delay and epilepsy, highlighting a critical role for NCDN in human brain development.<br/>