Deep learning models often need large amounts of training samples (thousands of training samples) to effectively extract hidden patterns in the data, thus achieving better results. However, in the field of brain-related disease, the omics data obtained by using advanced sequencing technology typically have much fewer patient samples (tens to hundreds of samples). Due to the small sample problem, statistical methods and intelligent machine learning methods have been unable to obtain a convergent gene set when prioritizing biomarkers. Furthermore, mathematical models designed for prioritizing biomarkers perform differently on different datasets. However, the architecture of the generative adversarial network (GAN) can address this bottleneck problem. Through the game between the generator and the discriminator, samples with similar distributions to that of samples in the training set can be generated by the generator, and the prediction accuracy and robustness of the discriminator could be significantly improved. Therefore, in this study, we designed a new generative adversarial network model with a denoising auto-encoder (DAE) as the generator and a multilayer perceptron (MLP) as the discriminator. The prediction residual error was backpropagated to the decoder part of the DAE, modifying the captured probability distribution. Based on this model, we further designed a framework to predict disease genes with RNA-seq data. The deep learning model improves the identification accuracy of disease genes over the-state-of-the-art approaches. An analysis of the experimental results has uncovered new disease-related genes and disease-associated pathways in the brain, which in turn have provided insight into the molecular mechanisms underlying disease phenotypes.

ABSTRACT The majority of autism spectrum disorder (ASD) risk genes are associated with ASD due to haploinsufficiency, where only one gene copy is functional. Here, using SCN2A haploinsufficiency, a major risk factor for ASD, we show that increasing the expression of the existing functional SCN2A allele with CRISPR activation (CRISPRa) can provide a viable therapeutic approach. We first demonstrate therapeutic potential by showing that restoring Scn2a expression in adolescent heterozygous Scn2a conditional knock-in mice rescues electrophysiological deficits associated with Scn2a haploinsufficiency. Next, using an rAAV-CRISPRa based treatment, we restore electrophysiological deficits in both Scn2a heterozygous mice and human stem-cell-derived neurons. Our results provide a novel therapeutic approach for numerous ASD-associated genes and demonstrate that rescue of Scn2a haploinsufficiency, even at adolescent stages, can ameliorate neurodevelopmental phenotypes.

Massively parallel reporter assays (MPRAs) represent a set of high-throughput technologies that measure the functional effects of thousands of sequences/variants on gene regulatory activity. There are several different variations of MPRA technology and they are used for numerous applications, including regulatory element discovery, variant effect measurement, saturation mutagenesis, synthetic regulatory element generation or characterization of evolutionary gene regulatory differences. Despite their many designs and uses, there is no comprehensive database that incorporates the results of these experiments. To address this, we developed MPRAbase, a manually curated database that currently harbors 129 experiments, encompassing 17,718,677 elements tested across 35 cell types and 4 organisms. The MPRAbase web interface (http://www.mprabase.com) serves as a centralized user-friendly repository to download existing MPRA data for independent analysis and is designed with the ability to allow researchers to share their published data for rapid dissemination to the community.

Abstract Krüppel-like transcription factor 7 (KLF7) promotes preadipocyte proliferation; however, its target gene in this process has not yet been identified. Using KLF7 ChIP-seq analysis, we previously showed that a KLF7-binding peak is present upstream of the cyclin-dependent kinase inhibitor 3 gene ( CDKN 3) in chicken preadipocytes. In the current study, we identified CDKN 3 as a target gene of KLF7 that mediates the effects of KLF7 on preadipocyte proliferation. Furthermore, 5′-truncating mutation analysis showed that the minimal promoter was located between CDKN 3 nt −160 and nt −7 (relative to the translation initiation codon ATG). KLF7 overexpression increased CDKN 3 promoter activity in the DF-1 and immortalized chicken preadipocyte (ICP1) cell lines. Deletion of the putative binding site of KLF7 abolished the promotive effect of KLF7 overexpression on CDKN 3 promoter activity. Moreover, CDKN3 -knockdown and -overexpression assays revealed that CDKN3 enhanced ICP1 cell proliferation. Flow cytometry analysis showed that CDKN3 accelerated the G1/S transition. Further, we found that KLF7 promoted ICP1 cell proliferation via Akt phosphorylation by regulating CDKN3. Taken together, these results suggest that KLF7 promotes preadipocyte proliferation via activating the Akt signaling pathway by cis-regulating CDKN 3, thus driving the G1/S transition.

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS), a sideways curvature of the spine, is sexually dimorphic, with increased incidence in females. A GWAS identified a female-specific AIS susceptibility locus near the PAX1 gene. Here, we used mouse enhancer assays, three mouse enhancer knockouts and subsequent phenotypic analyses to characterize this region. Using mouse enhancer assays, we characterized a sequence, PEC7, that overlaps the AIS-associated variant, and found it to be active in the tail tip and intervertebral disc. Removal of PEC7 or Xe1, a known sclerotome enhancer nearby, and deletion of both sequences led to a kinky phenotype only in the Xe1 and combined (Xe1+PEC7) knockouts, with only the latter showing a female sex dimorphic phenotype. Extensive phenotypic characterization of these mouse lines implicated several differentially expressed genes and estrogen signaling in the sex dimorphic bias. In summary, our work functionally characterizes an AIS-associated locus and dissects the mechanism for its sexual dimorphism.

The human genome contains millions of retrotransposons, several of which could become active due to somatic mutations having phenotypic consequences, including disease. However, it is not thoroughly understood how nucleotide changes in retrotransposons affect their jumping activity. Here, we developed a novel massively parallel jumping assay (MPJA) that can test the jumping potential of thousands of transposons

Degenerative changes of the intervertebral disc (IVD) are a leading cause of disability affecting humans worldwide. While this is primarily attributed to trauma and aging, genetic variation is associated with disc degeneration in humans. However, the precise mechanisms driving the initiation and progression of disease remain elusive due to a paucity of genetic animal models. Here, we discuss a novel genetic mouse model of endplate-oriented disc degeneration. We show that the adhesion G-protein coupled receptor G6 (ADGRG6) mediates several anabolic and catabolic factors, fibrotic collagen genes, pro-inflammatory pathways, and mechanical properties of the IVD, prior to the onset of overt histopathology of these tissues. Furthermore, we found increased IL-6/STAT3 activation in the IVD and demonstrate that treatment with a chemical inhibitor of STAT3 activation ameliorates disc degeneration in these mutant mice. These findings establish ADGRG6 as a critical regulator of homeostasis of adult disc homeostasis and implicate ADGRG6 and STAT3 as promising therapeutic targets for degenerative joint diseases.

The molecular events leading to the development of the bat wing remain largely unknown, and are thought to be caused, in part, by changes in gene expression during limb development. These expression changes could be instigated by variations in gene regulatory enhancers. Here, we used a comparative genomics approach to identify regions that evolved rapidly in the bat ancestor but are highly conserved in other vertebrates. We discovered 166 bat accelerated regions (BARs) that overlap H3K27ac and p300 ChIP-seq peaks in developing mouse limbs. Using a mouse enhancer assay, we show that five Myotis lucifugus BARs drive gene expression in the developing mouse limb, with the majority showing differential enhancer activity compared to the mouse orthologous BAR sequences. These include BAR116, which is located telomeric to the HoxD cluster and had robust forelimb expression for the M. lucifugus sequence and no activity for the mouse sequence at embryonic day 12.5. Developing limb expression analysis of Hoxd10-Hoxd13 in Miniopterus natalensis bats showed a high-forelimb weak-hindlimb expression for Hoxd10-Hoxd11, similar to the expression trend observed for M. lucifugus BAR116 in mice, suggesting that it could be involved in the regulation of the bat HoxD complex. Combined, our results highlight novel regulatory regions that could be instrumental for the morphological differences leading to the development of the bat wing.

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS), a sideways curvature of the spine, is the most common pediatric musculoskeletal disorder, affecting ~3% of the population worldwide. However, its genetic bases and tissues of origin remain largely unknown. Several genome-wide association studies (GWAS) have implicated nucleotide variants in noncoding sequences that control genes with important roles in cartilage, muscle, bone, connective tissue and intervertebral discs (IVDs) as drivers of AIS susceptibility. Here, we set out to define the expression of AIS-associated genes and active regulatory elements by performing RNA-seq and ChIP-seq against H3K27ac in these tissues in mouse and human. Our study highlights genetic pathways involving AIS-associated loci that regulate chondrogenesis, IVD development and connective tissue maintenance and homeostasis. In addition, we identify thousands of putative AIS-associated regulatory elements which may orchestrate tissue-specific expression in musculoskeletal tissues of the spine. Quantification of enhancer activity of several candidate regulatory elements from our study identifies three functional enhancers carrying AIS-associated GWAS SNPs at the ADGRG6 and BNC2 loci. Our findings provide a novel genome-wide catalog of AIS-relevant genes and regulatory elements and aid in the identification of novel targets for AIS causality and treatment.