Exploring the role of MeCP2 during cerebral cortex development in a telencephalic organoid model

October 3, 2025

Mutações no gene MeCP2, localizado no cromossoma X, causam uma forma sindrómica e severa de transtorno do espectro do autismo (ASD), conhecida como Síndrome de Rett (RTT). Embora tradicionalmente considerada uma doença pós-natal, evidencias recentes sugerem que o MeCP2 desempenha um papel crucial no desenvolvimento cerebral pré-natal. Nesta tese, utilizamos organoides cerebrais derivados de células estaminais pluripotentes humanas e assemblóides telencefálicos humanos para modelar o desenvolvimento cortical precoce no contexto da deficiência de MeCP2. Descobrimos que o MeCP2 e altamente expresso durante períodos correspondes à meia gestação (segundo trimestre de gravidez), indicando a sua participação em processos iniciais de neuro-desenvolvimento. Apesar de uma organização neuroepitelial, identidade telencefálica dorsal e padrão laminar amplamente intactos em organoides cerebrais mutantes, analise da expressão transcritómica de células individualizadas revelou uma progressão temporal acelerada dos programas de expressão génica neural na ausência de MeCP2. Isso ocorreu apesar duma maturação morfológica e funcional retardada, sugerindo um desacoplamento entre o desenvolvimento transcricional e estrutural. Em concordância com isso, observamos que a deficiência de MeCP2 levou a uma produção exacerbada de interneurónios corticais, detetável ás 8 semanas de diferenciação. Alem disso, os interneurónios mutantes exibiram dinâmicas anormais de migração, caracterizadas por aumento da velocidade e frequência de nucleocinese, evitando igualmente padrões típicos de migração exploratória no tecido cortical. A avaliação funcional dos assemblóides revelou uma atividade da rede neuronal híper-sincronizada na ausência de MeCP2, indicando uma maturação inibitória retardada e uma falha no refinamento adequado dos circuitos corticais. Estes resultados destacam o papel crítico do MeCP2 no neuro-desenvolvimento telencefálico e reforçam a origem pré-natal da disfunção relacionada à Síndrome de Rett. Loss-of-function mutations in the X-linked gene MeCP2 cause a severe form of syndromic autism spectrum disorder (ASD), known as Rett Syndrome (RTT). Although traditionally considered a postnatal disorder, increasing evidence suggests that MeCP2 plays a crucial role during prenatal brain development. In this thesis, we used human pluripotent stem cell-derived cerebral organoids and human telencephalic assembloids to model early cortical development in the context of MeCP2 deficiency. We found that MeCP2 is highly expressed during mid-gestational, indicating its involvement in early neurodevelopment. Despite largely intact neuroepithelial organization, dorsal telencephalic identity, and laminar patterning in mutant cerebral organoids, single-cell transcriptomics revealed an accelerated temporal progression of neurogenic gene expression programs in the absence of MeCP2. This occurred despite delayed morphological and functional maturation, suggesting an uncoupling of transcriptional and structural development. Consistent with this, we observed that MeCP2 deficiency led to an overproduction of cortical interneurons as early as 8 weeks of differentiation. Furthermore, mutant interneurons exhibited abnormal migration dynamics, characterized by increased speed and frequency of nucleokinesis, along with avoidance of typical exploratory migration patterns in cortical tissue. Functional assessment of assembloids revealed persistent hypersynchronous network activity in the absence of MeCP2, indicating delayed inhibitory maturation and a failure to properly refine cortical circuits. These findings highlight the critical role of MeCP2 in early telencephalic neurodevelopment and underscore the prenatal origin of RTT-related dysfunction.

Authors in the community:

• 

  M

  Miguel Forte Tenreiro

  ist181856

Supervisors of this institution:

• 

  M

  Maria Margarida Fonseca Rodrigues Diogo

  ist24804

• 

  T

  Tiago Paulo Gonçalves Fernandes

  ist147740

101691467

Doutoramento em Bioengenharia

biological-sciences - Biological sciences

Keywords

• Neurodevelopment
• MeCP2
• Rett Syndrome
• Organoids
• Assembloids
• neuro-desenvolvimento
• Síndrome de Rett
• organoides
• assemblóides

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Title of the project, award or grant: Programa Doutoral em Bioengenharia – Terapias Celulares e Medicina Regenerativa

Identifier for the funding entity: https://doi.org/10.13039/501100001871

Type of identifier of the funding entity: Crossref Funder

Number for the project, award or grant: UI/BD/151252/2021