Abstract Congenital hydrocephalus (CH), characterized by cerebral ventriculomegaly, is one of the most common reasons for pediatric brain surgery. Recent studies have implicated lin-41 (lineage variant 41)/TRIM71 (tripartite motif 71) as a candidate CH risk gene, however, TRIM71 variants have not been systematically examined in a large patient cohort or conclusively linked with an OMIM syndrome. Through cross-sectional analysis of the largest assembled cohort of patients with cerebral ventriculomegaly, including neurosurgically-treated CH (totaling 2,697 parent-proband trios and 8,091 total exomes), we identified 13 protein-altering de novo variants (DNVs) in TRIM71 in unrelated children exhibiting variable ventriculomegaly, CH, developmental delay, dysmorphic features, and other structural brain defects including corpus callosum dysgenesis and white matter hypoplasia. Eight unrelated patients were found to harbor arginine variants, including two recurrent missense DNVs, at homologous positions in RPXGV motifs of different NHL domains. Seven additional patients with rare, damaging, unphased or transmitted variants of uncertain significance were also identified. NHL-domain variants of TRIM71 exhibited impaired binding to the canonical TRIM71 target CDKN1A; other variants failed to direct the subcellular localization of TRIM71 to processing bodies. Single-cell transcriptomic analysis of human embryos revealed expression of TRIM71 in early first-trimester neural stem cells of the brain. These data show TRIM71 is essential for human brain morphogenesis and that TRIM71 mutations cause a novel neurodevelopmental syndrome featuring ventriculomegaly and CH.

SUMMARY Expansion of the cerebrospinal fluid (CSF)-filled cerebral ventricles (ventriculomegaly) is the quintessential feature of congenital hydrocephalus (CH) but also seen in autism spectrum disorder (ASD) and several neuropsychiatric diseases. PTEN is frequently mutated in ASD; here, we show PTEN is a bona fide risk gene for the development of ventriculomegaly, including neurosurgically-treated CH. Pten -mutant hydrocephalus is associated with aqueductal stenosis due to the hyperproliferation of periventricular Nkx2.1 + neural precursors (NPCs) and CSF hypersecretion from inflammation-dependent choroid plexus hyperplasia. The hydrocephalic Pten -mutant cortex exhibits ASD-like network dysfunction due to impaired activity of Nkx2.1 + NPC-derived inhibitory interneurons. Raptor deletion or post-natal Everolimus corrects ventriculomegaly, rescues cortical deficits, and increases survival by antagonizing mTORC1-dependent Nkx2.1 + cell pathology. These results implicate a dual impact of PTEN mutation on CSF dynamics and cortical networks via the dysregulation of NPCs and their interneuron descendants. These data identify a non-surgical treatment target for hydrocephalus and have implications for other developmental brain disorders. HIGHLIGHTS PTEN de novo mutations are associated with cerebral ventriculomegaly in autism spectrum disorder (ASD) and congenital hydrocephalus (CH). Pten -mutant hydrocephalus is associated with aqueductal stenosis due to the hyperproliferation of medial ganglionic eminence Nkx2.1 + neural precursors and CSF hypersecretion from inflammation-induced choroid plexus hyperplasia. The hydrocephalic Pten -mutant cortex exhibits ASD-like network dysfunction due to impaired activity of Nkx2.1 + NPC-derived inhibitory interneurons. mTORC1 inhibition via Raptor deletion or early post-natal treatment with rapamycin or everolimus increases survival and ameliorates Pten -mutant ventriculomegaly and cortical pathology.

ABSTRACT To elucidate the pathogenesis of vein of Galen malformations (VOGMs), the most common and severe congenital brain arteriovenous malformation, we performed an integrated analysis of 310 VOGM proband-family exomes and 336,326 human cerebrovasculature single-cell transcriptomes. We found the Ras suppressor p120 RasGAP ( RASA1 ) harbored a genome-wide significant burden of loss-of-function de novo variants (p=4.79×10 -7 ). Rare, damaging transmitted variants were enriched in Ephrin receptor-B4 ( EPHB4 ) (p=1.22×10 -5 ), which cooperates with p120 RasGAP to limit Ras activation. Other probands had pathogenic variants in ACVRL1 , NOTCH1 , ITGB1 , and PTPN11 . ACVRL1 variants were also identified in a multi-generational VOGM pedigree. Integrative genomics defined developing endothelial cells as a key spatio-temporal locus of VOGM pathophysiology. Mice expressing a VOGM-specific EPHB4 kinase-domain missense variant exhibited constitutive endothelial Ras/ERK/MAPK activation and impaired hierarchical development of angiogenesis-regulated arterial-capillary-venous networks, but only when carrying a “second-hit” allele. These results illuminate human arterio-venous development and VOGM pathobiology and have clinical implications.