Monica Coenraads: Dr. Philpot is associate professor in the ...

3 downloads 79 Views 162KB Size Report
23 Apr 2013 ... Dr. Philpot published a very high profile paper in Nature in December 2011 ... It is a $2.2 million project that Dr. Philpot is doing together with.
Gene Awakenings for the Treatment of Neurological Disorders April 23, 2013 Ben Philpot, Ph.D.  

Monica  Coenraads:  Dr.  Philpot  is  associate  professor  in  the  Department  of  Cell  Biology  and  Physiology  at   the  University  of  North  Carolina  Chapel  Hill.  He  earned  his  PhD  in  psychology  and  psychobiology,  I  don’t   think  I  have  ever  heard  of  psychobiology-­‐-­‐  you’ll  have  to  tell  us  what  that  is,  from  the  University  of   Virginia  and  he  did  his  post-­‐doctorate  training  in  the  lab  of  Mark  Bear,  who  is  also  doing  a  Rett  project   right  now.  Dr.  Philpot  published  a  very  high  profile  paper  in  Nature  in  December  2011  where  he  was   able  activate  a  silent  gene  in  Angelman  Syndrome  and  he  is  going  to  talk  about  that  project  and  a   project  that  is  being  funded  by  RSRT.  It  is  a  $2.2  million  project  that  Dr.  Philpot  is  doing  together  with   Bryan  Roth  and  Terry  Magnuson.  We  are  excited  about  it  and  the  goal  here  is  to  do  similar  things  as   what  he  did  in  the  Angelman  and  activate  the  MeCP2.  He  is  going  to  tell  is  how  he  is  doing  on  the   project  and  how  he  is  doing  on  the  Angelman  project  since  that  served  as  a  model  for  the  Rett  project.   Thank  you  very  much  for  taking  the  trip  and  coming.       Dr.  Philpot:  First  of  all  thanks  Monica  for  inviting  me  up.  It’s  a  real  pleasure  to  be  here  and  thank  you  all   for  coming  and  also  thanks  to  the  Simons  Foundation  for  having  us  and  allowing  us  to  be  in  this   wonderful  auditorium.  I  also  want  to  reiterate  that  for  those  of  you  here  in  the  audience,  to  ask   questions  and  interrupt  me  at  any  time.  I  really  want  to  keep  everyone  with  me  and  understanding  the   entire  talk.  So  please,  if  there  is  something  you  don’t  understand  and  want  a  clarification  on,  just  stop   and  ask  me,  or  if  you  have  a  question  at  any  time,  feel  free  to  interrupt.     Now  I  want  to  reiterate  a  point  that  Monica  made  that  there  really  is  a  lot  of  reason  to  be  hopeful  that   we  may  be  able  to  develop  therapeutics  for  Rett  Syndrome.  One  of  the  reasons  she  mentioned  is  that  it   is  a  single  gene  disorder  and  the  critical  gene  MeCP2  is  known.  This  is  really  important  because  if  you   think  about  it,  the  human  genome  contains  about  25,000  genes  and  we  know  that  these  genes  are   found  in  23  chromosomal  pairs  and  the  chromosomes  contain  DNA,  the  genetic  material  that  encodes   for  proteins  that  perform  cellular  functions  throughout  your  body.  Most  neurological  disorders  are   caused  by  many  genetic  mutations,  which  here  I  represented  on  the  chromosome  with  little  red  dots   [points  to  slide].  In  schizophrenia,  there  are  thought  to  be  many  mutations  that  are  thought  to  make   someone  susceptible  to  getting  schizophrenia.  From  a  scientist’s  point  of  view,  this  makes  it  very   difficult  to  tackle  this  disorder—you  have  to  try  to  figure  out  what  genes  you  want  to  focus  your  efforts   on  and  what  combination  of  genes  might  be  important  for  causing  schizophrenia.  Now  in  Rett   Syndrome,  it  is  caused  by  the  disruption  of  a  single  gene.  We  know  from  the  very  seminal  work  of  Huda   Zoghbi  in  1999  that  this  is  MeCP2.  So  just  knowing  what  the  gene  is  gives  us  a  tremendous  advantage   from  a  scientific  perspective  in  trying  to  develop  therapeutics.  We  know  what  gene  to  study  and  what  to   go  after.     Another  advantage  for  Rett  Syndrome  is  the  critical  brain  circuits  remain  grossly  intact.  You  can  think   that  this  is  very  different  from  the  situation  in  late  onset  Alzheimer’s  for  example.  If  you  compare  a  

healthy  brain  to  a  brain  from  an  individual  with  very  advanced  Alzheimer’s,  you  can  see  that  three  is  a   lot  of  necrosis  in  the  brain  in  the  individual  with  Alzheimer’s.  You  can  imagine  that  overcoming  the  loss   and  physical  damage  of  a  brain  is  very,  very  difficult.  So  that  is  why  for  Alzheimer’s,  the  focus  is  on  early   identification.  But  in  Rett  Syndrome,  the  gross  brain  circuitry  appears  to  remain  grossly  intact.  Here  are   brain  images.  One  is  from  an  individual  with  Rett  Syndrome  and  one  is  from  a  neurotypical  individual.   These  are  called  diffusion-­‐tensor  imaging.  They  show  fiber  tracks  in  the  brain  and  I  would  challenge   anyone  here  to  be  able  to  tell  the  Rett  brain  from  the  neurotypical  brain.  So  it  turns  out  this  one  is  the   Rett  brain  [pointing  to  slide].  There  are  certainly  differences  that  have  been  quantified.  This  is  group  out   of  Johns  Hopkins  and  they  have  quantified  differences  in  fiber  tracks  in  individuals  with  Rett  Syndrome   versus  neurotypical  controls,  but  it  is  still  safe  to  say  even  though  there  are  things  like  microcephaly  that   individuals  with  Rett  Syndrome  have,  the  gross  brain  circuitry  remains  intact  and  we  don’t  see  large   amounts  of  neuro-­‐degeneration  that  you  see  with  things  like  late  onset  Alzheimer’s.  So  this  is  another   advantage  that  we  have.     With  this  in  mind,  and  also  with  the  important  discoveries  from  Adrian  Bird  showing  that  even  in  an   adult  model  of  Rett  Syndrome  you  can  reverse  the  symptoms  of  Rett  Syndrome  by  activating  MeCP2,  we   took  on  a  drug  discovery  approach  to  try  to  find  therapeutics  for  Rett  Syndrome.  This  is  a  very  large-­‐ scale  operation  that  taking  investigators  and  their  lab  members  with  very  different  expertise.  My   expertise  is  actually  electro-­‐physiology,  another  member  of  the  team  is  Terry  Magnuson,  he  is  an  expert   in  genetics—he  is  one  the  foremost  leaders  in  the  work  on  the  X-­‐chromosome  and  the  X-­‐chromosome   inactivation.  Another  team  member  is  Bryan  Roth  from  the  pharmacology  department.  Bryan  Roth  is  the   director  of  the  Institute  of  Mental  Health  Drug  Discovery  Program.  So  he  comes  with  an  incredible   amount  of  expertise  and  facilities  that  are  normally  only  found  in  a  pharmaceutical  setting,  that  we  are   fortunate  to  have  at  the  University  of  North  Carolina.     Now  before  I  tell  you  about  the  approach,  I  need  to  give  you  a  little  genetics  101  lesson  and  I  will  remind   you  that  for  everyone  in  the  audience  that  the  genetic  material  in  each  one  of  your  cells  in  your  body  is   identical.  So  a  cell  in  your  heart,  a  cell  in  your  brain  and  a  cell  in  your  eye…  all  those  cells    have  the  same   genetic  material  but  obviously  you  know  that  a  cell  in  your  heart  versus  your  eye  versus  your  brain…  are   all  very  different.  And  the  reason  they  are  different  is  because  there  is  something  above  the  level  of   genetics;  it’s  called  epigenetics.  Only  certain  genes  are  expressed  in  these  different  types  of  cells.  So  you   might  have  one  complement  of  genes  that  are  expressed  in  a  heart  cell,  while  other  genes  are  turned  off   and  a  different  complement  of  genes  that  are  expressed  in  your  brain  cells.  So  there  are  mechanisms  in   your  body  to  turn  on  and  off  the  different  expression  of  genes.     Now  in  the  case  of  the  X  chromosome,  things  are  a  little  bit  different.  That  is  the  case  of  22  out  of  23  of   your  chromosomal  pairs.  But  for  the  X  chromosome,  as  Monica  mentioned,  there  is  such  a  thing  as   random  X-­‐inactivation.  So  you  could  look  at  two  cells  in  the  brain  and  in  one  cell,  you  may  have  one   chromosome  that  is  inactivated,  and  in  another  brain  cell,  you  can  have  the  other  chromosome  that  is   inactivated.  And  obviously  this  has  a  huge  impact  when  you  start  having  mutations  on  the  X   chromosome.  Is  that  clear  to  everyone  before  I  go  on?  Ok.    

With  this  kind  of  genetic  biology  in  mind  that  set  up  therapeutic  strategy  we  are  using  to  try  to  develop   therapeutics  for  Rett  Syndrome.  So  I  will  remind  you  in  a  neurotypical  individual,  MeCP2  will  be   expressed  off  an  active  chromosome,  but  it  doesn’t  matter  what  chromosome  is  active  and  which  is   inactive  because  both  copies  of  MeCP2  are  functional.  So  you  have  MeCP2  expressed  from  a  cell   regardless  of  which  X  chromosome  is  inactivated.  Now  in  the  case  of  Rett  Syndrome,  as  you  know,  there   is  a  mutation  in  the  copy  of  MeCP2.  So  there  one  copy  mutated  in  every  cell.  I  am  depicting  the   mutation  [in  the  slide]  with  an  X.  Now  in  some  cells  it  doesn’t  matter  because  that  is  the  inactive  X   [pointing  to  slide  where  mutation  is  on  inactive  X].  The  non-­‐mutated  MeCP2  is  active,  so  we  will  get   normal  MeCP2  expression.  In  the  other  cells  the  functional  copy  of  MeCP2  is  silenced  and  the  active   copy  is  the  mutated  copy  so  you  don’t  get  any  MeCP2  expressed.  It’s  in  these  cells  that  you  don’t  have   normal  MeCP2  function,  and  then  do  not  have  normal  neuronal  properties.  So  the  therapeutic  strategy   is  to  find  a  way  to  activate  the  inactive  MeCP2  (the  one  that  is  silenced).  So  it  won’t  make  a  difference  to   normal  cells,  they’ll  still  express  MeCP2  but  in  the  ones  that  have  a  good  copy  silenced,  we’ll  now   unsilence  it  and  allow  MeCP2  to  be  expressed  in  those  cells  as  well.  In  that  way,  we’ll  reinstate  normal   function  in  those  cells.  So  that  is  the  basic  strategy  behind  our  whole  drug  discovery  platform.  Is  that   clear  to  everyone?     Now  can  the  inactive  MeCP2  be  awakened  as  a  treatment  for  Rett  Syndrome?  Well  we  don’t  know  yet,   but  I  can  tell  you  by  analogy  to  work  we  have  done  in  Angelman  Syndrome,  that  there  is  reason  to   believe  that  it  may  be.  I  want  to  give  you  a  little  bit  of  background  on  Angelman  Syndrome  and  that   disorder  and  some  of  the  progress  we  have  made  there,  because  we  are  using  an  almost  identical   strategy  and  applying  it  to  Rett  Syndrome.  This  is  the  face  of  an  individual  with  Angelman  Syndrome,  a   cute  little  kid  here  with  jam  smudged  on  his  nose,  and  of  course  there  are  many  faces  of  Angelman   Syndrome.  Immediately  you  can  see  one  of  the  characteristics  of  Angelman  Syndrome  is  this  happy   disposition.  So  one  the  characteristics  of  Angelman  Syndrome  is  a  happy  disposition.  Many  of  you  may   know  that  there  is  often  a  misdiagnosis  between  Angelman  Syndrome  and  Rett  Syndrome  because  they   share  a  lot  of  phenotypic  similarities.  Some  of  those  are  shown  here.  Individuals  with  Angelman   Syndrome  have  movement  disorders,  severe  developmental  delay,  strikingly  there  is  a  severe  speech   impediment  so  70%  of  individuals  do  not  speak  a  single  word  in  their  lifetime,  there  is  a  high  incidence   of  seizures,  they  have  abnormal  EEG  patterns  and  they  have  severe  sleep  disorders.  So  as  you  know,   many  of  these  features  are  shared  with  Rett  Syndrome.  So  there  are  a  lot  of  phenotypic  overlap.  Just  to   bring  you  a  little  closer  to  the  disorder,  I  wanted  to  show  you  a  few  videos  that  were  pulled  off  of   YouTube,  so  you  can  understand  a  little  bit  more  about  the  disorder.  This  is  a  little  kiddo  who  is   undergoing  some  drop  seizures.  You’ll  see  that  there  are  some  stuffed  toys  judiciously  placed  around   him  that  will  come  into  play  as  he  has  his  seizure,  and  is  falling  over.  In  Angelman  Syndrome  seizures   usually  manifest  at  around  3  years  of  age  and  then  there  is  a  little  bit  of  improvement  with  age  after   that.  So  you  can  see  that  seizures  are  quite  prevalent.  Another  individual  with  Angelman  Syndrome  is   shown  here  and  you  will  see  a  normal  stereotypy  with  his  hand  flapping,  you’ll  also  appreciate  the  happy   disposition  of  these  individuals  and  the  lack  of  verbal  communication.  So  I  think  this  [video]  captures  the   hand  flapping  and  really  happy  disposition  of  individual  with  Angelman  Syndrome.    

Now  I  want  to  tell  you  about  the  drug  discovery  approach  we  used  in  Angelman  Syndrome  and  to  give   you  a  status  update  on  that  so  you  can  appreciate  how  we  are  applying  the  same  strategy  for  Rett   Syndrome.  A  lot  of  the  team  members  are  the  same:  myself  and  Bryan  Roth’s  lab.  For  this  project  we   brought  in  Mark  Zylka  who  is  a  real  expert  in  genetics  and  microbiology  and  also  has  a  lot  of  expertise  in   the  spinal  cord  which  comes  into  play  later.  Now  the  gene  that  causes  Angelman  Syndrome  is  known   just  like  the  gene  that  causes  Rett  Syndrome  is  known.  And  the  gene  for  Angelman  Syndrome  is  called   Ube3a.  Ube3a  is  not  on  the  X  chromosome,  but  unlike  most  autosomal  chromosomes  is  only  expressed   on  one  copy.    So  everyone  in  this  room  is  expressing  Ube3a  in  your  neurons  at  least  in  the  copy  that  you   inherited  from  your  mother,  whereas  the  copy  that  you  inherited  from  your  father  is  silenced.  And   Angelman  Syndrome  is  caused  when  the  copy  inherited  from  the  mother  is  mutated  or  deleted.  So  there   is  a  loss  of  Ube3a  expression.  So  the  drug  discovery  approach  we  used  here  is  similar  to  one  we  are   applying  to  Rett  Syndrome,  which  is  to  try  to  find  some  type  of  small  molecular  compound  that  would   turn  on  the  inactive  paternal  copy  of  the  Ube3a  so  we  could  get  expression  from  the  normally  inactive   copy  to  replace  the  deleted  copy  and  get  expression  similar  to  what  we  would  in  neurotypicals.   Question  from  the  audience:     You  are  turning  both  copies  on  but  one  does  not  work  so  you  don’t  have  to  worry  about  turning  one  off?   Right,  in  this  instance  we  have  a  copy  that  is  either  deleted  or  nonfunctional  so  that  we  don’t  have  to   worry  about  turning  it  on.  Now  you  are  actually  asking  a  very  insightful  question.  There  are  some  forms   of  Angelman  Syndrome  that  have  mutations  and  in  certain  forms,  it  may  act  as  a  dominant/negative   perhaps  to  alter  the  expression  of  normal  functioning  Ube3a  it  may  be  more  problematic.  But  in  the   larger  majority  of  Angelman  Syndrome,  it  is  a  deletion  that  is  causing  it.  So  there  might  be  certain  types   of  Angelman  Syndrome  that  this  strategy  may  not  work  in.     Question  from  the  audience:     So  in  Rett  Syndrome  you  have  different  variations  of  mutations.  In  Angelman  Syndrome,  are  there  a   smaller  number  of  mutations?     There  are  a  smaller  number  of  mutations  that  have  been  identified  to  date  but  there  is  still  a  lot  of  work   that  is  going  on  to  do  that.  But  you  could  imagine  in  Rett  Syndrome  that  there  may  be  a  few  types  of   mutations  that  might  cause  MeCP2  to  act  in  a  dominant/negative  fashion  for  examples  so  you  might   want  to  repress  the  expression  of  the  bad  one.  The  hope,  the  expectation,  is  that  most  copies  of  MeCP2   that  are  mutated  will  be  non-­‐functional  so  even  if  they  are  activated  it  won’t  have  a  deleterious  effect.   But  that  is  something  that  is  a  very  important  issue  that  will  have  to  be  addressed.     Question  from  the  audience:     Is  that  the  difference  between  nonsense  and  missense?  Because  nonsense  you  still  are  producing  a  little   bit  of  MeCP2?     I  think  it  would  be  certain  types  of  mutations  that  are  not  just  introducing  a  stop  codon  for  example,  but   can  cause  MeCP2  to  act  in  an  abnormal  function  so  yes  that  is  basically  the  point  that  will  be  very  

important  to  address.  But  like  I  said,  the  hope  and  expectation  is  that  for  MeCP2  mutations,  the  strategy   that  we  are  using  will  apply.  You  can  imagine  that  in  the  future  we  can  look  at  very  specific  mutations  of   MeCP2  and  see  if  they  act  in  a  dominant  negative  fashion  and  there  are  ways  to  study  this  in  a   laboratory.  So  you  can  make  a  construct  with  specific  mutations,  express  them  in  cells  and  see  how  they   react.     It  turns  out  that  the  tools  are  available  in  Angelman  Syndrome  to  look  at  the  genetic  activation  of  Ube3a   and  the  tool  was  developed  by  Art  Beaudet.    When  he  was  in  Scott  lab  at  Baylor,  he  made  a  mouse  that   had  a  florescent  reporter  for  gene  activation.  I  am  going  to  walk  you  through  this  so  hopefully  it  is  clear.   They  fused  to  Ube3a  a  yellow  fluorescent  protein  “YFP”.  Think  of  it  as  fluorescent  tag.  You  can  make  it   so  the  mice  inherit  this  fluorescent  tag  only  from  their  mother,  and  that  is  shown  here  so  they  don’t   have  a  fluorescent  tag  on  the  paternal  copy.  When  you  do  this,  and  take  a  slice  of  brain,  you  can  see  that   the  neurons  are  glowing  yellow.  So  it  shows  you  that  the  Ube3a  is  activated.  Now  if  you  breed  the  mice   so  they  inherit  the  florescent  copy  from  their  father,  then  you  look  at  a  section  of  brain,  you  don’t  see   any  neurons  that  are  expressing  UEB3A  and  that  is  because  that  copy  is  silenced.  So  by  using  a   florescent  reporter  for  gene  activation,  we  can  distinguish  between  an  active  copy  of  the  gene  and  an   inactive  copy  of  the  gene.  And  this  turns  out  to  be  a  very,  very  valuable  tool  because  we  can  culture   neurons  from  mice  that  have  the  florescent  reporter  inherited  from  their  father.  So  these  neurons  are   not  glowing  fluorescent.  Then  what  we  do  is  plate  them  in  a  384-­‐well  plate.  So  this  is  a  literally  a  plate   that  has  a  bunch  of  different  wells  in  it  and  each  one  of  these  wells  will  hold  about  20,000  neurons  we   take  from  mice  and  all  these  neurons  have  the  fluorescent  reporter  from  their  father.  The  idea  then  is   that  we  add  different  drugs,  we  add  them  in  quadruplicate,  we  add  drugs  to  all  these  wells  and  we  look   for  a  set  of  wells  where  the  neurons  are  glowing.  If  the  neurons  are  growing,  we  know  that  we  have   activated  the  paternal  copy  of  the  Ube3a.  So  this  is  how  we  do  a  drug  discovery  project.  We  can  screen   for  many  different  drug  compounds  and  try  to  find  ones  that  activate  our  genes  of  interest.     Now  I  wanted  you  to  appreciate  the  technology  that  goes  into  these  drug  discovery  efforts.  This  is  one   of  the  many  ways  we  benefit  from  the  laboratory  of  Dr.  Bryan  Roth.  As  I  mentioned  he  is  head  of  the   NIMH  Psychoactive  Drug  Screening  Center.  Not  only  does  he  have  a  lot  of  genius  in  this  area,  but  he  has   a  lot  of  the  hardware  and  software  necessary  to  do  these  large  drug  screens.  This  is  a  brief  movie   showing  you  some  of  the  robotics  that  we  employ  for  adding  drugs  to  different  cultures.  You  can  see   with  this  type  of  robotics  they  can  pipet  a  lot  of  drugs  out  very  quickly  and  in  a  very  precise  manner  so   that  we  can  create  many,  many  plates  with  neurons  and  screen  for  drugs  that  are  activators.  So  without   these  million  dollar  pieces  of  equipment  and  expertise  of  Bryan  Roth’s  lab,  these  studies  would  be  very   laborious  and  time  consuming  and  really  not  practical  to  take  on.  So  I  think  this  allows  you  to  appreciate   some  of  the  technology  that  goes  in  some  of  this  type  of  research.     One  concern  is  that  when  you  take  cells  out  of  a  mouse  and  culture  them,  they  might  behave  differently.   So  one  of  the  very  first  steps  we  did  was  to  take  the  neurons  out  of  the  mice  and  see  if  they  still   maintained  the  silencing  of  the  Ube3a  just  as  they  do  when  they  are  in  the  brain.  So  this  is  an  example   of  cultured  neurons  shown  here,  the  stain  on  the  bottom  is  a  stain  for  nuclei,  so  it  will  detect  every   single  neuron  in  the  dish.  The  stain  on  the  top  is  the  florescent  reporter  for  UB3EA.  When  we  breed  the   mice  and  the  UB3EA  is  on  the  maternal  copy  we  see  a  lot  of  expression.  When  we  breed  the  mice  and  

the  fluorescent  reporter  is  from  dad,  even  though  we  know  there  are  a  lot  of  neurons  in  the  dish  from   the  nuclei  stain,  we  know  that  none  of  the  neurons  are  expressing  Ube3a.  So  we  can  culture  neurons   and  we  can  maintain  the  ability  to  see  if  genes  are  on  or  off.  So  this  is  our  first  proof  positive  that  such  a   screen  will  work.  And  in  fact  with  RSRT  funding,  we  initially  had  a  very  small  pilot  project  to  see  if  this   would  be  feasible  for  Rett  Syndrome.     Now  I  wanted  you  to  appreciate  the  raw  data  of  what  it  looks  like  when  we  are  doing  these  types  of   experiments  because  I  think  it  is  important  for  parents  to  know  the  type  of  research  being  done  and  to   even  see  an  eureka  moment  that  we  had.  If  you  look  at  one  of  these  384  well  plates  that  once  again  had   a  florescent  reporter  inherited  from  the  father,  we  add  different  drugs  in  quadruplicate  from  the  wells,   so  this  is  just  a  blow  up  of  a  small  number  of  wells  here.  We  add  different  drugs,  so  we  might  put  Drug  A   here,  Drug  B  here,  Drug  C  there…  We  always  use  the  first  two  lanes  for  something  called  DMSO,  which  is   just  a  drug  solvent.  So  just  like  water  can  dissolve  salt,  DMSO  can  dissolve  drugs.  So  just  to  make  sure   that  we  are  not  getting  anything  strange,  that  is  a  just  a  control  we  always  run.  The  first  thing  I  am  going   to  show  you  is  once  again  the  stain  for  the  neurons,  because  the  what  we  don’t  want  is  a  drug  that  kills   neurons.  So  this  is  a  stain  from  a  small  subset  of  the  plates  here  and  you  can  see  that  all  these  cells  are   healthy  because  they  still  have  neurons.  These  are  healthy,  these  are  healthy  and  these  are  healthy,  but   there  are  hardly  any  neurons  in  these  so  that  means  that  the  drug  killed  neurons.  So  that  means  that  we   don’t  want  to  use  these  drugs  because  they  are  likely  to  have  very  high  toxicity.  That  is  one  of  the  things   we  look  for.  The  other  thing  we  look  for  is  just  the  increase  in  Ube3a  expression,  because  the  only  way   we  can  get  Ube3a  expression  from  the  florescent  reporter  is  if  we  unsilence  this  silenced  copy.  Focus   right  on  here,  you  can  see  that  there  is  one  set  of  drugs,  one  drug  that  unsilenced  the  paternal  copy  of   Ube3a.  SO  that  tells  us  that  none  of  these  other  drugs  work  except  this  one  and  that  is  our  unsilencing   agent.  So  this  truly  was  our  eureka  moment  and  I  can  tell  you  in  our  screen  we  initially  screened  2,306   compounds,  that  is  depicted  here,  each  one  of  these  dots  represents  a  different  compound,  plotted  on   the  Y  axis  is  showing  the  increase  in  Ube3a  expression  and  out  of  all  of  these  compounds  only  one  of   them  unsilenced.  There  were  some  other  ones  that  look  like  they  might  have  but  we  retested  them  and   they  weren’t  real.  So  out  of  2,306  compounds,  we  found  one.     Question  from  Audience     How  long  did  it  take  you  to  get  there?     This  is  two  years  of  very  hard  work  to  do  that  many.  One  of  the  things  I  was  talking  to  Monica  about,  she   is  able  to  piggy  back  on  this  expertise  that  we  have  already  developed  so  we  are  now  able  to  move   much,  much  faster  than  when  this  original  screen  was  done  because  we  have  a  lot  of  the  expertise.  It   turns  out  one  of  the  critical  things  is  just  culturing  these  neurons  to  keep  them  very  healthy  and  to  be   able  to  put  them  in  a  384  well  format.  So  originally  we  only  had  one  technician  that  was  able  to  do  this   really  well  and  now  we  have  4-­‐5  that  can  do  it  really  well.  So  that  was  one  of  the  technical  obstacles.       Now  the  great  thing  is  that  I  have  learned  about  drug  discovery  is  that  sometimes  you  only  need  one  hit   to  make  some  large  inroads  into  scientific  discovery.  So  it  turns  out  that  Irinotecan  is  what  is  known  as  a  

Topoisomerase  Inhibitor.  It  is  an  FDA  approved  compound  and  it  is  used  to  treat  cancer.  Topoisomerase   Inhibitors  are  probably  these  most  common  chemotherapeutics.  So  there  is  good  news  and  there  is  bad   news.  The  good  news  is  that  we  already  know  how  well  these  compounds  are  tolerated  by  individuals  so   their  health  profiles  are  very  well  worked  out.  We  know  what  doses  can  be  tolerated.  We  also  know   from  that  having  the  fortune  of  watching  someone  go  through  chemotherapy  that  they  are  not  without   side  effects.  So  these  are  compounds  that  do  have  side  effects.  The  other  thing  is  once  you  have  one   compound  that  works,  you  can  start  looking  at  other  compounds  that  are  either  structurally  similar  or   that  they  hit  the  same  molecular  target.  So  even  though  we  only  got  one  compound  through  our   screening  process,  we  now  have  more  than  30  Topoisomerase  Inhibitors  that  are  effective  at  unsilencing   the  paternal  copy  of  Ube3a.  So  this  is  just  showing  one  of  them;  it’s  called  Topotechan,  it  is  another  FDA   approved  chemotherapeutic.  You  don’t  see  Ube3a  expression  paternally  with  a  vehicle  as  a  control.   When  we  add  this  drug,  we  get  huge  expression.  Don’t  worry  about  this,  this  is  just  showing  you  that   this  is  a  compound  that  is  working  at  a  very,  very  low  concentration.      And  it  is  and  advantage  to  have   drugs  that  work  at  low  concentrations  because  they  are  less  likely  to  have  off  target  effects.  Because  as   you  know,  if  you  take  enough  of  anything,  there  is  likely  to  be  negative  side  effects.     Now  it  is  one  thing  to  have  a  drug  unsilence  a  gene  in  a  dish,  but  can  you  have  it  unsilence  a  gene  in   vivo?  To  test  this  we  injected  the  drug  intrathecally,  so  into  the  spinal  cord.  So  if  anyone  has  had  an   epidural  through  childbirth  for  example,  this  is  the  same  route  for  delivery  the  drug.  Now  this  is  an   image,  just  a  small  section  of  the  spinal  cord  showing  you  that  there  is  no  paternal  Ube3a  expression,  so   there  is  not  much  fluorescence  there.  We  know  that  there  are  a  lot  of  neurons,  because  if  you  look  at   this  neuronal  marker,  you  can  see  many,  many  neurons.  Now  I’m  going  to  show  you  an  image  after   we’ve  injected  the  mouse  for  the  two  weeks  with  the  drug.  So  we  have  injected  the  mouse  for  two   weeks  with  the  topoisomerase  inhibitor  and  you  can  see  we  have  expression  of  paternal  Ube3a.  I  want   to  point  out  many  caveats  and  many  things  we  are  still  working  on,  and  hurdles  to  overcome.  One  thing   we  looked  at  was  how  much  expression  of  Ube3a  we  should  be  getting,  do  we  want  to  target?  We  can   answer  that  question  just  by  moving  the  fluorescent  reporter  so  it  on  the  maternal  copy.  And  you  can   see  without  drug,  this  is  how  much  Ube3a  expression  we  should  be  getting  normally.  So  we  still  aren’t   there  yet,  but  we  are  moving  in  the  right  direction.     Question  from  the  Audience:     Do  you  have  to  continuously  deliver  it?     I  will  answer  that  question  next.  The  question  was  do  we  have  to  continuously  deliver  the  drug  or  was   the  effect  long  lasting?  That  is  a  great  and  very  important  question  and  I  am  going  to  answer  it  in  a  slide   or  two.  Any  other  questions?     Of  the  2300  drugs  or  so  that  you  used,  were  all  of  those  FDA  approved?     Yes,  that  a  great  question.  So  the  question  was,  for  all  the  compounds  that  were  screened,  were  all  of   them  FDA  approved?  Our  screening  strategy,  which  is  similar  to  the  one  we  are  using  for  Rett  Syndrome,   is  to  preferably  screen  compounds  that  are  FDA  approved.  That  was  one  strategy.  The  other  one  was  to   take  ones  that  modify  or  are  suspected  to  modify  the  epigenome.  The  other  one  is  to  take  drugs  that  we  

know  get  into  the  brain  well.  So  all  of  those  have  advantages.  If  it  is  FDA  approved,  we  know  how  well  it   is  tolerated  just  for  health  reasons.  We  also  know  a  lot  about  the  molecular  targets.  Another  reason  for   using  epigenetic  modifiers  is  that  they  are  thought  to  modify  the  expression  of  genes  already,  so  those   might  be  likely  drugs  to  try.  And  the  reason  for  trying  to  use  drugs  that  get  into  the  brain  well  is  that   there  are  so  many  different  compounds  that  don’t  get  into  well,  so  you  might  as  well  start  with  the  ones   that  get  to  the  brain  so  they  will  get  to  the  brain,  the  place  that  is  most  important  that  we  get  them.  So   the  one  of  the  ways  we  shape  the  drug  libraries  that  we  are  screening  is  to  pick  the  ones  judiciously,   because  we  can’t  go  through  a  million  compounds.  It’s  just  not  practical  with  neurons.     So  you  appreciate  a  limitation,  most  drug  screens  that  are  performed  in  pharmaceutical  industries,  they   are  performed  on  cell  classes  that  can  divide.  So  they  just  take  cells  and  they  divide  and  they  divide,  and   divide  ….and  they  get  as  many  cells  as  they  want  and  they  can  perform  drug  screens  relatively  easily  on   hundreds  of  thousands  if  not  millions  of  compounds.  Neurons  do  not  divide  so  to  collect  neurons  for   these  studies,  the  unfortunate  part  of  my  job  is  that  we  have  to  sacrifice  a  mouse  and  use  neurons  from   mice  and  we  don’t  have  the  luxury  of  being  able  to  use  dividing  cells.     So  you  asked  the  really  important  question:  is  the  un-­‐silencing  transient?  The  question  is  important  for  a   number  of  reasons,  because  if  it  is  transient  you  can  imagine  that  you  have  to  continually  dose  an   individual  with  these  compounds  in  order  to  maintain  that  gene  activation.  If  it’s  long  lasting,  then  you   could  have  a  much  longer  interval  between  dosing.  Especially  for  compounds  that  have  toxicity,  like  the   topoisomerase  inhibitors,  it  would  be  completely  impractical  to  give  them  frequently.  This  is  an   important  issue.  We  can  answer  this  in  a  very  straightforward  experiment.  We  take  mice  that  once  again   have  the  florescent  reporter  on  the  silent  copy.  We  give  them  drugs  for  two  weeks  and  then  we  look   immediately  after  drug,  4  weeks  later,  6  weeks  later  12  weeks  later  52  weeks  later,  so  almost  a  year   later.  I  should  say  in  these  studies  we  are  using  a  very  low  concentration  of  these  drugs  because  it  allows   us  to  quantify  the  neurons  more  sparsely  and  in  an  automated  fashion.  These  are  raw  data  showing   spinal  cord  images  where  mice  were  treated  with  vehicle  so  there  is  no  un-­‐silencing.  Here  are  ones  that   were  treated  with  Topotechan,  either  immediately  after  2  weeks  of  treatment  or  up  to  a  year  of   treatment.  Because  this  is  a  pretty  striking  effect,  I  am  going  to  show  it  bigger.    That  a  year  after  we  give   mice  Topotechan  just  for  two  weeks,  in  a  subset    of  spinal  cord  neurons,  the  gene  we  activated,  Ube3a,   continues  to  be  activated.  Once  again,  there  is  reason  for  optimism  and  there  is  reason  for  caution.  The   reason  for  optimism  is  the  best  case  scenario  is  we  do  a  drug  course  for  a  limited  time  and  we  have  a   permanent  affect.  The  caveats  are  that  we  haven’t  shown  we  can  have  this  lasting  effect  in  brain   neurons  (this  is  spinal  cord;  and  we  don’t  know  if  other  classes  can  have  this  seemingly  permanent   unsilencing.  Another  caveat  is  that  we  are  certainly  affecting  other  genes;  we  are  not  just  affecting  the   gene  we  are  measuring.  In  the  best  case  scenario  we  are  affecting  the  other  genes  transiently  and  our   disease  gene  permanently.  So  these  are  the  types  of  things  we  are  looking  at  now  and  we  have  some   insights  I  can  tell  you  a  little  bit  about  afterwards  if  you  are  curious.   Once  again,  I  want  to  remind  you  that  there  are  limitations  to  this  approach  and  to  where  we  are   currently.  Some  of  these  limitations  we  may  come  up  during  the  discovery  for  Rett  Syndrome,  they  may   or  may  not  come  up.  But  I  wanted  you  to  appreciate  some  of  the  things  that  could  arise:  

1.

2. 3. 4.

5.

One  is  that  our  compounds  are  not  the  best  at  getting  into  the  brain  so  they   do  get  to  the  brain  but  not  to  the  levels  we  want.  So  our  big  push  right  now  is  to  find   compounds  that  get  into  the  brain  better  and  we  are  lucky  to  have  a  whole  host  of   topoisomerase  drugs  that  are  now  working.  We  are  kind  of  marching  through  those  and  seeing   which  ones  get  to  the  brain  the  best.     If  we  don’t  get  into  the  brain,  it  could  limit  our  ability  to  get  a  good  behavioral   rescue.  You  need  to  unsilence  a  large  portion  of  neurons  to  see  a  benefit.     We  need  to  identify  additional  topoisomerase  inhibitors  or  other  compounds   with  better  brain  penetration.     We  are  also  continuing  our  drug  screen  at  least  for  a  little  while  longer  in  the   hopes  we  are  going  to  find  something  that  is  even  more  innocuous  than  topoisomerase   inhibitor.  The  best  case  is  to  find  something  that  is  as  well-­‐tolerated  as  aspirin.     We  are  also  working  very  hard  to  determine  the  mechanism  of  action.  So  even   if  the  topoisomerase  inhibitor  might  not  be  useful  therapeutically,  If  we  can  use  this  as  a  tool  to   figure  out  the  mechanism  by  which  it  is  un-­‐silencing  our  gene  of  interest,  we  as  scientist  can   then  design  very  specific  treatment  strategies  to  un-­‐silence  our  gene  of  interest  without   affecting  other  genes.  So  by  understanding  the  mechanisms,  we  hope  to  gain  insights.    

What  are  we  doing  for  MeCP2?  We  are  nearly  doing  the  identical  sort  of  screen  so  I  will  go  back  to  this   slide  that  I  showed  you  before.  We  are  screening  for  compounds  that  can  un-­‐silence  the  inactive  MeCP2   allele.  So  we  are  doing  the  same  type  of  discovery  project.      So  we  are  fortunate  to  have  tools  in  place,   just  like  we  did  for  Angelman  Syndrome,  which  will  allow  us  to  this.  This  is  a  tool  that  was  developed  by   Adrian  Bird  who  is  also  supported  by  RSRT,  so  once  again  this  is  donor  dollars  doing  valuable  work.  And   he  developed  a  florescent  reporter  for  activation  of  MECP2.  So  just  like  UB3EA  was  fused  to  a   fluorescent  reporter,  he  fused  MeCP2  to  a  green  florescent  protein.  So  here  are  two  brains,  you  would   probably  be  hard  pressed  to  guess  which  one  has  a  fluorescent  reporter,  but  if  we  turned  out  the  lights,   fluorescently  activated  and  imaged  them  in  a  certain  way,  you  can  see  a  brain  is  glowing.  You  can  see   this  is  a  brain  that  has  MeCP2  fluorescent  reporter  knocked  into  it.  So  once  again,  we  can  see  activation   of  the  gene  by  florescence.  So  the  screening  strategy,  and  I  know  this  is  a  busy  slide,  but  I  think  you  can   appreciated  the  take  home  message,  is  that  we’ll  take  mice  and  we’ll  mate  a  male  mouse  that  has  the   MeCP2  florescent  reported.  We’ll  mate  them  so  the  offspring  has,  remember  these  are  XY  and  the   female  is  XX,  the  male  offspring  of  these  will  not  have  any  florescent  reporter.  The  female  offspring  from   this  breeding  pair  will  have  the  florescent  reporter  for  the  MeCP2  “GFP”.  So  with  random  X  inactivation,   half  of  the  neurons  will  express  the  fluorescent  reporter  and  in  half  of  them  the  florescent  reporter  will   be  on  the  inactive  X.  Because  they  are  only  inheriting  the  reporter  off  of  one  X  allele.    Half  of  the   neurons  are  expressing  the  fluorescent  reporter  and  in  half  of  the  neurons,  it’s  silenced.  We’re  taking   this  population  of  neurons,  we’re  adding  small  molecules,  and  we  are  trying  to  make  the  inactive  allele   active,  which  we  will  detect  by  florescence.  So  once  again,  we  have  a  population  of  neurons  that  is   mixed,  that  have  florescence  and  don’t,  and  we’re  trying  to  make  it,  by  adding,  that  all  they  are   expressing  fluorescence.  So  a  very  straight  forward  concept—we  are  trying  to  make  all  the  cells  green.     Question  from  the  Audience:    

These  still  don’t  have  mutations  right?     Yes,  there  is  nothing  to  do  with  mutations  at  this  point.  Right  now,  we  just  want  to  find  ways  to  activate   the  inactive  X,  well  I  should  say  the  inactive  MeCP2.     What  we  won’t  know,  until  the  later  phases  of  this  process  is  to  see  how  specific  these  compounds  are.   So  for  example  we  could  totally  activate  the  inactive  X  or  it  could  be  very  specific  for  MeCP2.  But  that  is   a  later  stage  of  the  discovery  process.  The  first  stage  is  let’s  just  find  compounds  that  will  be  able  to   unsilence  the  inactive  MeCP2.     The  dream  of  what  we  hope  to  do  is  depicted  here.  You  can  imagine  two  unhealthy  neurons  and  they   are  unhealthy  because  they  have  a  mutated  copy  of  MeCP2  and  an  inactive  copy  of  a  good  MeCP2.   What  we  hope  to  do  is  to  find  compound  which  we  can  treat  these  neurons,  the  drugs  come  in  like  a   flurry  of  snowflakes,  and  they’ll  unsilence  the  healthy  MeCP2  copy  and  it  will  make  the  neuron  healthy.   So  that  is  really  the  dream  of  what  we  hope  to  do.     I  should  point  out  that  this  work  is  done  by  a  large  team  of  experts.  Most  laboratory  investigators  will   tell  you  that  they  are  nothing  without  the  people  in  their  laboratory,  and  their  collaborations  and  the   same  is  very  true  for  me.  This  is  my  team  of  researchers  in  my  lab.  I  have  been  fortunate  to  rcieve   funding  for  the  Angelman  Syndrome  project  both  from  the  Angelman  Foundation  and  from  the  Simons   Foundation,  and  this  is  another  example  of  the  importance  of  parent  organizations  and  private   foundations  for  providing  money  that  can  advance  research  in  a  really  powerful  way.  For  this  project  I   have  been  funded  by  Rett  Syndrome  Research  Trust  and  without  that,  the  project  wouldn’t  be  funded;   it’s  my  only  source  of  funding  for  this  project  at  the  moment.  The  team  of  researchers  working  on  this   project  met  just  yesterday  for  an  update  report.  Unfortunately  I  took  the  picture  after  some  of  the  team   members  had  left.  These  are  the  team  members.  Bryan  Roth  is  the  director  of  this  drug  screening  center   and  Terry  Magnuson  is  an  expert  in  X-­‐inactivation.  This  is  the  team  of  researchers  that  allows  us  to   collect  the  neurons  and  to  screen  drugs  for  unsilencing.  Once  we  have  active  hits,  we  will  validate  those   and  try  to  move  forward  in  a  very  careful  and  methodical  way.  Once  again  I  would  like  to  thank  Monica   and  the  Rett  Syndrome  Research  Trust  for  funding  my  research  and  for  all  of  you  for  supporting  that  as   well.  Thank  you  for  your  time  and  attention  and  I  am  happy  to  take  any  questions.