Cellular and Molecular Insights into Schaaf-Yang Syndrome: A Multi-Model Analysis from Fibroblasts to iPSC-Derived Neural Cell Types

Abstract

[eng] Schaaf-Yang syndrome (SYS) is an ultra-rare neurodevelopmental disorder caused by truncating mutations in the maternally imprinted gene MAGEL2. Clinically, SYS shares many features with Prader-Willi syndrome (PWS), such as neonatal hypotonia, feeding difficulties, endocrine dysfunction, neurodevelopmental delay and a consequent intellectual disability, but also presents with distinctive traits including joint contractures and a higher degree of intellectual difficulties. Due to its rarity, SYS remains poorly understood, with limited consensus on management, and molecular mechanisms. This thesis addresses these challenges through an integrated clinical and molecular approach. In this thesis, phenotypic and genetic reviews of all reported SYS cases have been performed, enabling the development of the first clinical guidelines for patient management. A curated catalogue of MAGEL2 variants has been established, resolving misannotations and highlighting the diagnostic importance of parental origin assessment in this imprinted gene. To elucidate disease mechanisms, we have studied the behaviour of truncated MAGEL2 proteins using heterologous expression systems, patient-derived fibroblasts, and induced pluripotent stem cell (iPSC)-based neural models. Our findings show that truncating mutations produce stable proteins that mislocalise to the nucleus rather than being degraded. This aberrant localisation potentially reframes SYS as a dual loss- and gain-of-function disorder distinct from PWS. Multi-omic studies across different patient-derived cell models have shown both overlapping and cell type-specific dysregulations. Specifically, in CNS cell types, transcriptomic profiling has identified disruptions in synaptic and neuronal function, extracellular matrix organisation, and developmental pathways. Preliminary calcium imaging assays have potentially uncovered impaired GABAergic neuronal activity, linking transcriptional dysregulation to altered physiology. Finally, we have observed alterations in amyloid-β secretion across patient-derived cell types, establishing its potential as a robust, disease-relevant biomarker. This work is among the first to use human iPSC-derived neuronal models to investigate SYS, providing direct access to potentially disease-relevant cell types. Using multiple patient-derived platforms, we refine the molecular definition of SYS and reveal potential pathogenic mechanisms alongside candidate biomarkers. By integrating clinical, multi-omic, and functional analyses, this thesis advances our understanding of SYS pathophysiology and establishes a foundation for future studies aimed at dissecting molecular mechanisms and identifying therapeutic targets.

[cat] La síndrome de Schaaf-Yang (SYS) és una malaltia ultrarara del neurodesenvolupament causada per mutacions truncants en el gen MAGEL2. Clínicament, la SYS comparteix nombroses característiques amb la síndrome de Prader-Willi (PWS), com ara la hipotonia neonatal, les dificultats d’alimentació, la disfunció endocrina, el retard del neurodesenvolupament i la consegüent discapacitat intel·lectual. No obstant això, també presenta trets distintius, com contractures articulars i un grau més elevat de dificultats intel·lectuals. A causa de la seva raresa, la SYS continua sent poc coneguda, amb un consens limitat pel que fa al maneig clínic i als mecanismes moleculars subjacents. Aquesta tesi aborda aquests reptes mitjançant un enfocament tant clínic com molecular. En aquesta tesi, s’ha dut a terme una revisió fenotípica i genètica de tots els casos de SYS descrits fins ara, que ha permès desenvolupar les primeres pautes clíniques per al maneig dels pacients. S’ha establert un catàleg curat de variants de MAGEL2, resolent anotacions errònies i destacant la importància diagnòstica d’avaluar l’origen parental de les mutacions. Per tal d’elucidar els mecanismes de la malaltia, s’ha estudiat el comportament de proteïnes MAGEL2 truncades mitjançant sistemes d’expressió heteròlegs, fibroblasts derivats de pacients i models neurals diferenciats a partir de cèl·lules pluripotents induïdes (iPSC). Els resultats mostren que les mutacions truncants produeixen proteïnes estables que es localitzen erròniament al nucli, en lloc de degradar-se. Aquesta localització aberrant podria reformular la SYS com un trastorn amb un doble mecanisme de pèrdua i guany de funció, diferent de la PWS. Els estudis multiòmics en diversos models cel·lulars derivats de pacients han revelat desregulacions tant compartides com específiques de cada tipus cel·lular. En concret, el perfil transcriptòmic de cèl·lules del sistema nerviós central, ha identificat alteracions en la funció sinàptica i neuronal, l’organització de la matriu extracel·lular i en les vies de desenvolupament. A més, assaigs preliminars d’imatges de calci suggereixen una activitat neuronal GABAèrgica alterada, establint un vincle entre la desregulació transcripcional i les disfuncions fisiològiques observades. Finalment, s’han detectat alteracions en la secreció de β-amiloide en els models cel·lulars derivats de pacients, la qual cosa apunta al seu potencial com a biomarcador robust i rellevant per a la malaltia. Aquest treball és un dels primers a utilitzar models neuronals derivats d’iPSCs humanes per investigar la SYS, oferint accés directe a tipus cel·lulars potencialment rellevants per a la patologia. Mitjançant aquestes i altres plataformes derivades de pacients, es refina la definició molecular de la SYS i es revelen possibles mecanismes patogènics, així com biomarcadors candidats. Integrant l’anàlisi clínica, multiòmica i funcional, aquesta tesi avança en la comprensió de la fisiopatologia de la SYS i estableix les bases per a futurs estudis orientats a disseccionar-ne els mecanismes moleculars i identificar possibles dianes terapèutiques.