Abstract Lowe syndrome is an X-linked recessive monogenic disorder resulting from mutations in the OCRL gene that encodes a phosphatidylinositol 4,5 bisphosphate 5-phosphatase. The disease affects three organs-the kidney, brain and eye and clinically manifests as proximal renal tubule dysfunction, neurodevelopmental delay and congenital cataract. Although Lowe syndrome is a monogenic disorder, there is considerable heterogeneity in clinical presentation; some individuals show primarily renal symptoms with minimal neurodevelopmental impact whereas others show neurodevelopmental defect with minimal renal symptoms. However, the molecular and cellular mechanisms underlying this clinical heterogeneity remain unknown. Here we analyze a Lowe syndrome family in whom affected members show clinical heterogeneity with respect to the neurodevelopmental phenotype despite carrying an identical mutation in the OCRL gene. Genome sequencing and variant analysis in this family identified a large number of damaging variants in each patient. Using novel analytical pipelines and segregation analysis we prioritize variants uniquely present in the patient with the severe neurodevelopmental phenotype compared to those with milder clinical features. The identity of genes carrying such variants underscore the role of additional gene products enriched in the brain or highly expressed during brain development that may be determinants of the neurodevelopmental phenotype in Lowe syndrome. We also identify a heterozygous variant in CEP290 , previously implicated in ciliopathies that underscores the potential role of OCRL in regulating ciliary function that may impact brain development. More generally, our findings demonstrate analytic approaches to identify high-confidence genetic variants that could underpin the phenotypic heterogeneity observed in monogenic disorders.

Abstract Lowe syndrome (LS) is an X-linked recessive genetic disorder characterized by renal dysfunction, neurodevelopmental defects, and cataract. The affected gene, OCRL encodes for a polyphosphoinositide 5-phosphatase. OCRL is localized to multiple sub-cellular locations in the endolysosomal system and defects in these organelles have been described in human cells depleted of OCRL. However, the relationship of the endolysosomal defects in OCRL depleted cells to the altered physiology of kidney cells of LS patients has not been completely determined. Here we model the kidney phenotypes of LS using a Drosophila nephrocyte model. Using this model system, we demonstrate that OCRL plays a cell-autonomous role in nephrocyte function. Deletion of the only OCRL ortholog in Drosophila ( dOCRL ) leads to cell-autonomous defects in larval nephrocyte structure and function. Null mutants of dOCRL ( dOCRL KO ) show defects in the endolysosomal system of larval nephrocytes that are associated with physiological defects in nephrocyte function. These defects could be rescued by reconstitution with a human OCRL transgene but not with a phosphatase dead version or a human LS patient derived mutation. Overall, this work provides a model system to understand the mechanisms by which the sub-cellular changes from loss of OCRL leads to defects in kidney function in human patients.

Abstract Human brain development is a complex process where multiple cellular and developmental events are co-ordinated to generate normal structure and function. Alteration in any of these events can impact brain development, manifesting clinically as neurodevelopmental disorders. Human genetic disorders of lipid metabolism often present with features of altered brain function. Lowe syndrome (LS), is a X-linked recessive disease with features of altered brain function. LS results from mutations in OCRL1 that encodes a phosphoinositide 5-phosphatase enzyme. However, the cellular mechanisms by which loss of OCRL1 leads to brain defects remain unknown. Human brain development involves several cellular and developmental features not conserved in other species and understanding such mechanisms remains a challenge. Rodent models of LS have been generated, but failed to recapitulate features of the human disease. Here we describe the generation of human stem cell lines from LS patients. Further, we present biochemical characterization of lipid metabolism in patient cell lines and demonstrate their use as a “ disease-in-a-dish ” model for understanding the mechanism by which loss of OCRL1 leads to altered cellular and physiological brain development.