We generated a library of ~1000 Drosophila stocks in which we inserted a construct in the intron of genes allowing expression of GAL4 under control of endogenous promoters while arresting transcription with a polyadenylation signal 3’ of the GAL4. This allows numerous applications. First, ~90% of insertions in essential genes cause a severe loss-of-function phenotype, an effective way to mutagenize genes. Interestingly, 12/14 chromosomes engineered through CRISPR do not carry second-site lethal mutations. Second, 26/36 (70%) of lethal insertions tested are rescued with a single UAS-cDNA construct. Third, loss-of-function phenotypes associated with many GAL4 insertions can be reverted by excision with UAS-flippase. Fourth, GAL4 driven UAS-GFP/RFP reports tissue and cell-type specificity of gene expression with high sensitivity. We report the expression of hundreds of genes not previously reported. Finally, inserted cassettes can be replaced with GFP or any DNA. These stocks comprise a powerful resource for assessing gene function.

Summary Individuals with autism spectrum disorders (ASD) exhibit an increased burden of de novo variants in a broadening range of genes. We functionally tested the effects of ASD missense variants using Drosophila through ‘humanization’ rescue and overexpression-based strategies. We studied 79 ASD variants in 74 genes identified in the Simons Simplex Collection and found 38% of them caused functional alterations. Moreover, we identified GLRA2 as the cause of a spectrum of neurodevelopmental phenotypes beyond ASD in eight previously undiagnosed subjects. Functional characterization of variants in ASD candidate genes point to conserved neurobiological mechanisms and facilitates gene discovery for rare neurodevelopmental diseases.

Abstract Reversible protein phosphorylation by kinases in extensively used to control a plethora of processes essential for proper development and homeostasis of multicellular organisms. One main obstacle in studying the role of a defined kinase-substrate interaction is that kinases form complex signaling networks and most often phosphorylate multiple substrates involved in various cellular processes. In recent years, several new approaches have been developed to control the activity of a given kinase. However, most of them fail to regulate a single protein target, likely hiding the effect of a unique kinase-substrate by pleiotropic effects. To overcome this limitation, we have created protein binder-based engineered kinases for direct, robust and tissue-specific phosphorylation of target fluorescent protein fusions in vivo . We show that synthetic Rok kinases, based on the Drosophila ortholog of Rho-associated protein kinase (ROCK), are functional enzymes and can activate myosin II through phosphorylation of Sqh::GFP or Sqh::mCherry in different morphogenetic processes in a developing fly embryo. We next use the system to study the impact of actomyosin activation specifically in the developing tracheal branches and showed that ectopic activation of actomyosin with engineered Rok kinase did not prevent cell intercalation nor the formation of autocellular junctions. We assume that this approach can be adapted to other kinases and targets in various eukaryotic genetic systems.

Abstract Previously, we described a large collection of Drosophila strains that each carry an artificial exon containing a T2AGAL4 cassette inserted in an intron of a target gene based on CRISPR-mediated homologous recombination (Lee et al ., 2018). These alleles permit numerous applications and have proven to be very useful. Initially, the homologous recombination-based donor constructs had long homology arms (>500 bps) to promote precise integration of large constructs (>5kb). Recently, we showed that in vivo linearization of the donor constructs enables insertion of large artificial exons in introns using short homology arms (100-200 bps) (Kanca et al ., 2019a). Shorter homology arms make it feasible to commercially synthesize homology donors and minimize the cloning steps for donor construct generation. Unfortunately, about 50% of Drosophila genes lack suitable coding introns for integration of artificial exons. Here, we report the development of new set of constructs that allow the replacement of the coding region of genes that lack suitable introns with a KozakGAL4 cassette, generating a knock-out/knock-in allele that expresses GAL4 similarly as the targeted gene. We also developed custom vector backbones to further facilitate and improve transgenesis. Synthesis of homology donor constructs in custom plasmid backbones that contain the target gene sgRNA obviates the need to inject a separate sgRNA plasmid and significantly increases the transgenesis efficiency. These upgrades will enable the targeting of nearly every fly gene, regardless of exon-intron structure, with a 70-80% success rate.

ABSTRACT Purpose Epigenetic dysregulation has been associated with many inherited disorders. RBBP5 encodes a core member of the protein complex that methylates histone 3 lysine-4 (H3K4) and has not been implicated in human disease. Methods We identify five unrelated individuals with de novo heterozygous pathogenic variants in RBBP5 . Three truncating and two missense variants were identified in probands with neurodevelopmental symptoms including global developmental delay, intellectual disability, microcephaly, and short stature. Here, we investigate the pathogenicity of the variants through protein structural analysis and transgenic Drosophila models. Results Both missense p.T232I and p.E296D variants affect evolutionarily conserved amino acids and are expected to interfere with the interface between RBBP5 and the histones. In Drosophila, ubiquitous overexpression of human RBBP5 is lethal in the larval developmental stage. Loss of Rbbp5 leads to a reduction in brain size, and the human reference, p.T232I, or p.E296D variant transgenes fail to rescue loss of Rbbp5. Expression of either missense variant in an Rbbp5 null background results in a less severe microcephaly phenotype than the human reference, indicating both p.T232I and p.E296D variants are loss-of-function alleles. Conclusion De novo heterozygous variants in RBBP5 are associated with a syndromic neurodevelopmental disorder. Graphical abstract

Abstract In most eukaryotic cells fatty acid synthesis occurs in the cytoplasm as well as in mitochondria. However, the relative contribution of mitochondrial fatty acid synthesis (mtFAS) to the cellular lipidome of metazoans is ill-defined. Hence, we studied the function of the fly Mitochondria enoyl CoA reductase (Mecr), the enzyme required for the last step of mtFAS. Loss of mecr causes lethality while neuronal loss leads to progressive neurological defects. We observe an elevated level of ceramides, a defect in Fe-S cluster biogenesis and increased iron levels in mecr mutants. Reducing the levels of either iron or ceramide suppresses the neurodegenerative phenotypes indicating that increased ceramides and iron metabolism are interrelated and play an important role in the pathogenesis. Mutations in human MECR cause pediatric-onset neurodegeneration and patient-derived fibroblasts display similar elevated ceramide levels and impaired iron homeostasis. In summary, this study shows an as-yet-unidentified role of mecr/MECR in ceramide and iron metabolism providing a mechanistic link between mtFAS and neurodegeneration.

Abstract In complex nervous systems, neurons must identify their correct partners to form synaptic connections. The prevailing model to ensure correct recognition posits that cell surface proteins (CSPs) in individual neurons act as identification tags. Thus, knowing what cells express which CSPs would provide insights into neural development, synaptic connectivity, and nervous system evolution. Here, we investigated expression of dprs and DIPs , two CSP subfamilies belonging to the immunoglobulin superfamily (IgSF), in Drosophila larval motor neurons (MNs), sensory neurons (SNs), peripheral glia and muscles using a collection of GAL4 driver lines. We found that dprs are more broadly expressed than DIPs in MNs and SNs, and each examined neuron expresses a unique combination of dprs and DIPs . Interestingly, many dprs and DIPs are not robustly expressed, but instead, are found in gradient and temporal expression patterns. Hierarchical clustering showed a similar expression pattern of dprs and DIPs in neurons from the same type and with shared synaptic partners, suggesting these CSPs may facilitate synaptic wiring. In addition, the unique expression patterns of dprs and DIPs revealed three uncharacterized MNs - MN23-Ib, MN6-Ib (A2) and MN7-Ib (A2). This study sets the stage for exploring the functions of dprs and DIPs in Drosophila MNs and SNs and provides genetic access to subsets of neurons.

The Interferon Regulatory Factor 2 Binding Protein Like (IRF2BPL) gene encodes a member of the IRF2BP family of transcriptional regulators. Currently the biological function of this gene is obscure, and the gene has not been associated with a Mendelian disease. Here we describe seven individuals affected with neurological symptoms who carry damaging heterozygous variants in IRF2BPL. Five cases carrying nonsense variants in IRF2BPL resulting in a premature stop codon display severe neurodevelopmental regression, hypotonia, progressive ataxia, seizures, and a lack of coordination. Two additional individuals, both with missense variants, display global developmental delay and seizures and a relatively milder phenotype than those with nonsense alleles. The bioinformatics signature for IRF2BPL based on population genomics is consistent with a gene that is intolerant to variation. We show that the IRF2BPL ortholog in the fruit fly, called pits (protein interacting with Ttk69 and Sin3A), is broadly expressed including the nervous system. Complete loss of pits is lethal early in development, whereas partial knock-down with RNA interference in neurons leads to neurodegeneration, revealing requirement for this gene in proper neuronal function and maintenance. The nonsense variants in IRF2BPL identified in patients behave as severe loss-of-function alleles in this model organism, while ectopic expression of the missense variants leads to a range of phenotypes. Taken together, IRF2BPL and pits are required in the nervous system in humans and flies, and their loss leads to a range of neurological phenotypes in both species.

We generated new genetic tools to efficiently tag genes in Drosophila. Double Header (DH) utilizes intronic MiMIC/CRIMIC insertions to generate artificial exons for GFP mediated protein trapping or T2A-GAL4 gene trapping in vivo based on CRE recombinase to avoid embryo injections. DH significantly increases integration efficiency compared to previous strategies and faithfully reports the expression pattern of genes and proteins. The second technique targets genes lacking coding introns using a two-step cassette exchange. First, we replace the endogenous gene with an excisable compact dominant marker using CRISPR making a null allele. Second, the insertion is replaced with a protein::tag cassette. This sequential manipulation allows the generation of numerous tagged alleles or insertion of other DNA fragments that facilitates multiple downstream applications. Both techniques allow precise gene manipulation and facilitate detection of gene expression, protein localization and assessment of protein function, as well as numerous other applications.