“Exploring the Genetic Architecture of Tourette Syndrome in Children and Adolescents: Integrated Evidence from Copy Number Variants and Exome Sequencing” ["Analisi dell’Architettura Genetica della Sindrome di Tourette in Bambini e Adolescenti: Analisi dei dati derivanti dalle variazioni del numero di copie e dal sequenziamento dell'esoma"]

Despite the extensive research on Tourette Syndrome (TS), critical gaps remain in the understanding of its pathophysiology. The marked clinical heterogeneity, the frequent occurrence of comorbid conditions and the complex genetic architecture, further contribute to making the overall landscape even less clear. Over the past decades, growing scientific interest and significant investment in addressing these complex challenges have fostered an increasing emphasis on early diagnosis and integrated management approaches. Analyzing the correlation between genetic findings and the detailed clinical phenotypes of TS patients may contribute to a better understanding of its heterogeneity and inform future precision medicine strategies. Advances in next-generation sequencing, especially whole-exome sequencing (WES), have greatly improved our understanding of the TS genetic architecture, allowing the detection of both de novo and inherited rare coding variants that affect crucial neurodevelopmental pathways. Furthermore, growing evidence highlights rare high-impact variants, including CNVs, as key determinants of TS susceptibility. In line with these premises, during my PhD I conducted two complementary studies aimed at clarifying the contribution of rare genetic variants to TS in pediatric cohorts. The first study systematically examined CNVs in clinically characterized children with TS using array-comparative genomic hybridization (arrayCGH). This investigation revealed rare genomic imbalances in several patients, some overlapping with loci previously associated with neurodevelopmental disorders, thereby providing novel insights into the role of structural variation in the clinical heterogeneity of TS. The manuscript of this research project has been published in February 2023, with the title “Copy Number Variations in Children with Tourette Syndrome: Systematic Investigation in a Clinical Setting”, co-authored by Saia, F., Prato, A., Saccuzzo, L., Madia, F., Barone, R., Fichera, M., & Rizzo, R., on the scientific journal titled “Genes”, as part of the section “Molecular Genetics and Genomics” . Building on these findings, the second study presented in this thesis, employed trio-based wholeexome sequencing (WES) to investigate the role of rare coding variants, both de novo and inherited. Unlike the first study, which focused on structural genomic alterations, this approach enabled a systematic exploration of coding variants with potential functional effects, thus expanding the search for novel risk genes and refining genotype–phenotype correlations. The manuscript of this second research project has not yet been published. These studies are part of a broader scientific trajectory developed during my doctoral training, which has included studies on both clinical and biological aspects of TS and related neurodevelopmental disorders. For instance, I contributed to the characterization of sensory phenomena in children with TS and ASD (Prato et al., 2024), to the follow-up of functional tic-like behaviours emerging during the COVID-19 pandemic (Prato et al., 2023), and to the investigation of long-COVID symptoms in pediatric TS cohorts (Prato et al., 2023). Moreover, I co-authored case reports and descriptive studies on rare genomic syndromes, such as 17q21.31 microduplication (Saia et al., 2023) and Zhu-Tokita-Takenouchi-Kim syndrome with novel SON variants (Pavone et al., 2022), further consolidating my expertise in the interface between clinical neuropsychiatry and human genetics. Finally, I participated in international collaborations such as the ENIGMA-TS project, aimed at advancing neuroimaging genetics research through largescale meta-analysis (Paschou et al., 2022). Taken together, these experiences allowed me to develop a multidisciplinary approach combining detailed clinical phenotyping with advanced genomic methodologies, ultimately converging on the present thesis project, where my recent focus has primarily been on the genetic architecture of Tourette Syndrome.

Nonostante l’ampia letteratura dedicata alla Sindrome di Tourette (TS), persistono importanti lacune nella comprensione della sua fisiopatologia. La marcata eterogeneità clinica, la frequente presenza di condizioni in comorbidità e la complessa architettura genetica contribuiscono ulteriormente a rendere il quadro generale ancor più articolato. Nel corso degli ultimi decenni, il crescente interesse scientifico e gli investimenti mirati ad affrontare tali sfide, hanno posto un’enfasi sempre maggiore sulla diagnosi precoce e su approcci integrati di gestione clinica. L’analisi delle correlazioni tra i reperti genetici e i fenotipi clinici dettagliati dei pazienti con TS può infatti favorire una migliore comprensione della sua eterogeneità e orientare future strategie di terapia. I recenti progressi nel sequenziamento di nuova generazione, in particolare il sequenziamento dell’esoma (whole-exome sequencing, WES), hanno significativamente migliorato la conoscenza dell’architettura genetica della TS, consentendo l’identificazione sia di varianti rare codificanti, de novo e ereditarie, che impattano su vie neuroevolutive cruciali. Inoltre, evidenze sempre più numerose indicano che varianti rare ad alto impatto, comprese le copy number variants (CNV), rappresentano chiavi determinanti della suscettibilità alla TS. In linea con tali premesse, nel corso del mio dottorato ho condotto due studi complementari finalizzati a chiarire il contributo delle varianti genetiche rare nella TS in coorti pediatriche. Il primo studio ha esaminato sistematicamente le CNV in bambini con TS, tramite tecnologia array-comparative genomic hybridization (array-CGH). L’indagine ha rivelato squilibri genomici rari in diversi pazienti, alcuni dei quali sovrapponibili a loci precedentemente associati a disturbi del neurosviluppo, offrendo così nuove prospettive nell’eterogeneità clinica della TS. Il manoscritto relativo a questo progetto di ricerca è stato pubblicato nel febbraio 2023 con il titolo “Copy Number Variations in Children with Tourette Syndrome: Systematic Investigation in a Clinical Setting”, ( Saia, F., Prato, A., Saccuzzo, L., Madia, F., Barone, R., Fichera, M. e Rizzo, R.,) sulla rivista scientifica Genes, all’interno della sezione “Molecular Genetics and Genomics”. Sulla base di tali risultati, il secondo studio presentato in questa tesi ha utilizzato il sequenziamento dell’esoma in trio per indagare il ruolo delle varianti codificanti rare, sia de novo sia ereditate. A differenza del primo studio, focalizzato sulle alterazioni genomiche strutturali, questo approccio ha permesso una esplorazione sistematica delle varianti con potenziali effetti funzionali, ampliando così la ricerca di nuovi geni-rischio e affinando le correlazioni genotipo–fenotipo. Il manoscritto relativo a questo secondo progetto di ricerca non è ancora stato pubblicato. Questi studi si inseriscono in un percorso scientifico più ampio maturato durante il mio dottorato, che ha incluso ricerche su aspetti sia clinici sia biologici della TS e dei disturbi del neurosviluppo correlati. Ho, ad esempio, contribuito alla caratterizzazione dei fenomeni sensoriali in bambini con TS e ASD (Prato et al., 2024), al follow-up dei comportamenti tic-like funzionali emersi durante la pandemia di COVID-19 (Prato et al., 2023) e all’indagine dei sintomi da long-COVID in coorti pediatriche con TS (Prato et al., 2023). Inoltre, ho partecipato alla stesura di case report e studi descrittivi su rare sindromi genomiche, come la microduplicazione 17q21.31 (Saia et al., 2023) e la sindrome di Zhu-Tokita-Takenouchi-Kim con nuove varianti del gene SON (Pavone et al., 2022), consolidando ulteriormente le competenze all’interfaccia tra neuropsichiatria clinica e genetica umana. Infine, ho partecipato a collaborazioni internazionali, tra cui il progetto ENIGMA-TS, volto a promuovere la ricerca nell’ambito della neuroimaging-genetics mediante meta-analisi su larga scala (Paschou et al., 2022). Nel loro insieme, queste esperienze mi hanno permesso di sviluppare un approccio multidisciplinare che integra una dettagliata fenotipizzazione clinica con metodologie genomiche avanzate, convergendo nel presente progetto di tesi, incentrato principalmente sull’architettura genetica della Sindrome di Tourette.