Noonan syndrome (NS) is an autosomal dominant genetic disorder, dominantly caused by mutations in tyrosine phosphatase SHP2. Although NS patients frequently have a variety of neurological symptoms reported, it is still unclear how SHP2 mutations cause the neurodevelopmental abnormalities linked to this syndrome. Here, I report that NS-induced pluripotent stem cells (iPSCs) show abnormal development of excitatory neurons (ENs) in the differentiation process into cortical organoids (NS-COs). Although these organoids exhibit normal appearance, single-cell RNA sequencing uncovered that the EN population have been increased and several cortical layer markers are overexpressed in a patient-specific manner. Furthermore, upper layer marker SATB2 and the deep layer maker CTIP2 was co-expressed in the subpopulation of NS-ENs. In accordance with these findings, synaptic connections were also reduced in NS-COs. Collectively, our findings suggest that perturbed cortical layer identity and impeded neuronal connectivity contribute to the neurological manifestations of NS.
누난 증후군은 대표적인 희귀유전질환 중 하나로, 대부분의 경우 단백질 티로신 인산가수분해효소 SHP2의 돌연변이에 의해 발병한다고 알려져 있다. 많은 수의 누난 증후군 환자들에서 경도의 지적 장애 등 다양한 신경학적 이상이 관찰되지만, 아직 이러한 증상들이 어떻게 SHP2 돌연변이에 의하여 유발되는지는 밝혀진 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 누난 증후군 환자 유래 역분화 줄기세포로부터 대뇌피질 오가노이드를 분화시키는 과정 중에 신경세포 발생 이상을 확인하고, 이를 통해 환자들에서 나타나는 신경병리학적 변화들에 대한 분자적 기전을 밝히고자 하였다. 누난 증후군 유래 오가노이드들은 초기 발생 단계에서 형태학적 이상을 보이지는 않았지만 단일세포 RNA 시퀀싱을 통해 분석해본 결과, 흥분성 신경세포의 증가와 일부 대뇌 피질 마커들의 과발현이 확인되었다. 또한, 일부 누난 증후군 신경세포에서 특이적으로 상부 대뇌피질 마커 SATB2와 하부 대뇌피질 마커 CTIP2가 동시에 발현하는 특성을 관찰할 수 있었다. 나아가 이러한 발생학적 이상에 대한 결과로 누난 오가노이드 내부에서의 시냅스 연결 또한 감소해 있다는 것을 확인하였다. 종합적으로 본 연구진은 대뇌피질 발달 이상과 신경세포간 연결 저해가 누난 증후군 환자들의 신경학적 증상들의 원인이 될 수 있다는 가능성을 제시하였다.
