Abstract Neurodevelopmental disorders are highly heritable and associated with spatially-selective disruptions of brain anatomy. The logic that translates genetic risks into spatially patterned brain vulnerabilities remains unclear but is a fundamental question in disease pathogenesis. Here, we approach this question by integrating (i) in vivo neuroimaging data from patient subgroups with known causal genomic copy number variations (CNVs), and (ii) bulk and single-cell gene expression data from healthy cortex. First, for each of six different CNV disorders, we show that spatial patterns of cortical anatomy change in youth are correlated with spatial patterns of expression for CNV region genes in bulk cortical tissue from typically-developing adults. Next, by transforming normative bulk-tissue cortical expression data into cell-type expression maps, we further link each disorder’s anatomical change map to specific cell classes and specific CNV-region genes that these cells express. Finally, we establish convergent validity of this “transcriptional vulnerability model” by inter-relating patient neuroimaging data with measures of altered gene expression in both brain and blood-derived patient tissue. Our work clarifies general biological principles that govern the mapping of genetic risks onto regional brain disruption in neurodevelopmental disorders. We present new methods that can harness these principles to screen for potential cellular and molecular determinants of disease from readily available patient neuroimaging data.

Abstract The mechanistic target of rapamycin (mTORC1) is a nutrient responsive protein kinase complex that helps co-ordinate anabolic processes across all tissues. There is evidence that signaling through mTORC1 in skeletal muscle may be a determinant of energy expenditure and aging and therefore components downstream of mTORC1 signaling may be potential targets for treating obesity and age-associated metabolic disease. Here, we generated mice with Ckmm-Cre driven ablation of Tsc1 , which confers constitutive activation of mTORC1 in skeletal muscle and performed unbiased transcriptional analyses to identify pathways and candidate genes that may explain how skeletal muscle mTORC1 activity regulates energy balance and aging. Activation of skeletal muscle mTORC1 produced a striking resistance to diet-and age-induced obesity without inducing systemic insulin resistance. We found that increases in energy expenditure following a high fat diet were mTORC1-dependent and that elevated energy expenditure caused by ablation of Tsc1 coincided with the upregulation of skeletal muscle-specific thermogenic mechanisms that involve sarcolipin-driven futile cycling of Ca 2+ through SERCA2. Additionally, we report that constitutive activation of mTORC1 in skeletal muscle reduces lifespan. These findings support the hypothesis that activation of mTORC1 and its downstream targets, specifically in skeletal muscle, may play a role in nutrient-dependent thermogenesis and aging.

Many neuropsychiatric risk genes contribute to epigenetic regulation of gene expression but very little is known about specific chromatin-associated mechanisms governing the formation and maintenance of neuronal connectivity. Here we show that transcallosal connectivity is critically dependent on C11orf46 (also known as ARL14EP), a small nuclear protein encoded in the chromosome 11p13 Wilms Tumor, Aniridia, Genitourinary Abnormalities, intellectual disability (formerly referred to as Mental Retardation) (WAGR) risk locus. C11orf46 haploinsufficiency in WAGR microdeletion cases was associated with severe hypoplasia of the corpus callosum. In utero short hairpin RNA-mediated C11orf46 knockdown disrupted transcallosal projections of cortical pyramidal neurons, a phenotype that was rescued by wild type C11orf46 but not the C11orf46R236H mutant associated with autosomal recessive intellectual disability. Multiple genes encoding key regulators of axonal growth and differentiation, including Sema6A, were hyperexpressed in C11orf46-knockdown neurons. Importantly, RNA-guided epigenetic editing of neuronal Sema6a gene promoters via a dCas9 protein-conjugated SunTag scaffold with multimeric (10x) C11orf46 binding during early developmental periods, resulted in normalization of expression and rescue of transcallosal dysconnectivity via repressive chromatin remodeling, including up-regulated histone H3K9 methylation by the KAP1-SETDB1 repressor complex. Our study demonstrates that interhemispheric communication is highly sensitive to locus-specific remodeling of neuronal chromatin, revealing the therapeutic potential for shaping the brain's connectome via gene-targeted designer activators and repressor proteins.

Abstract Alström syndrome (AS) is a rare multi-system disorder for which early-onset childhood obesity is a cardinal feature. Like humans with AS, animal models with Alms1 loss-of-function mutations develop obesity, supporting the notion that ALMS1/Alms1 is required for the regulatory control of energy balance across species. This study aimed to determine which component(s) of energy balance are reliant on Alms1. Here, we performed comprehensive energy balance phenotyping Alms1 tvrm102 mice at both eight- and eighteen-weeks-of-age. We found that adiposity gains occurred early and rapidly in Alms1 tvrm102 male mice but much later in females. Rapid increases in body fat in males was due to a marked reduction in energy expenditure (EE) during early life and not due to any genotype-specific increases in energy intake under chow conditions. Energy intake did increase in a genotype-specific manner when mice were provided a high-fat-diet, exacerbating the effects of reduced EE on obesity progression. The EE deficit observed in male Alms1 tvrm102 mice did not persist as mice aged, suggesting loss of Alms1 either causes a developmental delay in the mechanisms controlling early life EE, or that activation of compensatory mechanisms occurs after obesity is established. Future studies will determine how ALMS1/Alms1 modulates EE and how sex moderates this process.