Rare monogenic disorders often exhibit significant phenotypic variability among individuals sharing identical genetic mutations. Bruck syndrome (BS), a prime example, is characterized by bone fragility and congenital contractures, although with a pronounced variability among family members. BS arises from recessive biallelic mutations in FKBP10 or PLOD2. FKBP65, the protein encoded by FKBP10, collaborates with the LH2 enzyme (PLOD2) in type I collagen telopeptide lysine hydroxylation, crucial for collagen cross-linking. To identify potential modifier genes and to investigate the mechanistic role of FKBP10 in BS pathogenesis, we established an fkbp10a knockout zebrafish model. Mass-spectrometry analysis in fkbp10a-/- mutants revealed a generally decreased type I collagen lysyl hydroxylation, paralleled by a wide skeletal variability similar to human patients. Ultrastructural examination of the skeleton in severely affected mutants showed enlarged type I collagen fibrils and disturbed elastin layers. Whole-exome sequencing of 7 mildly and 7 severely affected mutant zebrafish siblings, followed by single nucleotide polymorphism-based linkage analysis, indicated a linked region on chromosome 13, which segregates with phenotypic severity. Transcriptome analysis identified 6 differentially expressed genes (DEGs) between mildly and severely affected mutants. The convergence of genes within the linked region and DEGs highlighted bmpr1aa as a potential modifier gene, as its reduced expression correlates with increased skeletal severity. In summary, our study provides deeper insights into the role of FKBP10 in BS pathogenesis. Additionally, we identified a pivotal gene that influences phenotypic severity in a zebrafish model of BS. These findings hold promise for novel treatments in the field of bone diseases.

The type I collagenopathies are a group of heterogeneous connective tissue disorders, that are caused by mutations in the genes encoding type I collagen and include specific forms of Osteogenesis Imperfecta (OI) and the Ehlers-Danlos syndrome (EDS). These disorders present with a broad disease spectrum and large clinical variability of which the underlying genetic basis is still poorly understood. In this study, we systematically analyzed skeletal phenotypes in a large set of zebrafish, with diverse mutations in the genes encoding type I collagen, representing different genetic forms of human OI, and the first zebrafish model of human EDS, which harbors characteristic defects in the soft connective tissues. Furthermore, we provide insight into how zebrafish and human type I collagen are compositionally and functionally related, which is relevant in the interpretation of human type I collagen related disease models. Our studies reveal a high degree of inter-genotype variability in phenotypic expressivity that closely correlates with associated OI severity. Further, we demonstrate the potential for select mutations to give rise to variable phenotypic penetrance, mirroring the clinical variability associated with human disease pathology. Therefore, our work suggests the potential for zebrafish to aid in identifying unknown genetic modifiers and mechanisms underlying the phenotypic variability in OI and related disorders. This will improve diagnostic strategies and enable the discovery of new targetable pathways for pharmacological intervention.

ABSTRACT Thoracic aortic aneurysm and dissection (TAAD) associates with a high mortality rate. Despite the existence of different mouse models for TAAD, the underlying disease mechanisms remain elusive. Treatment options are limited and mainly consist of surgical repair at critical aortic diameters as current pharmacological interventions are unable to stop disease progression. In humans, loss of function (LOF) of SMAD3 and SMAD6 impairs vascular homeostasis, increasing the risk for TAAD. We developed a zebrafish model for thoracic aortic dissection/rupture by targeting both ohnologs of smad3 and smad6 . At 10 days post fertilization, we found an increased diameter of the ventral aorta in smad3a −/− ; smad3b −/− double knockout zebrafish, while smad6a −/− ; smad6b −/− double knockout zebrafish have a reduced aortic diameter associated with early mortality. We discovered that a smad3a −/− ; smad3b −/− ; smad6a −/− ; smad6b −/− quadruple knockout (qKO) zebrafish model is viable and survives to adulthood, although exposure to stress leads to sudden death. Histological analysis of the adult ventral aorta shows medial elastolysis, aortic dissections and ruptures at sites exposed to high biomechanical stress. RNA-sequencing of 5 days post fertilization qKO zebrafish indicates a profile of reduced negative regulation of proteolysis and upregulation of melanogenesis, a previously unaddressed pathway in this pathology. We confirm that pharmacological modulation of tyrosinase, the enzyme responsible for the production of melanin, influences aortic morphology. Overall, the qKO mutant, thus far the only known zebrafish model of thoracic aortic dissection and rupture, reveals novel SMAD3/6-dependent pathways that impact thoracic aortic homeostasis, in this way opening avenues for the development of novel treatments in TAAD.

Heritable Fragile Bone Disorders (FBDs) encompass a spectrum of conditions, from widespread multifactorial to rare monogenic diseases, all characterized by an elevated risk of fractures. The process of validating causative genes and elucidating their pathogenic mechanisms remains a daunting and resource-intensive task. In this study, we evaluated the feasibility of a semi-high throughput zebrafish screening platform for rapid validation and in vivo functional testing and validation of candidate disease-causing genes for a wide range of heritable FBDs. Six genes associated with severe recessive forms of Osteogenesis Imperfecta (OI) and four genes associated with BMD, a key osteoporosis indicator, identified through genome-wide association studies (GWAS) were selected. The crispant screening approach, based on CRISPR/Cas9 technology, was used to phenotype directly in F0 mosaic founder zebrafish. Next-Generation Sequencing (NGS) analysis revealed a mean indel efficiency of 88% across ten different crispants, indicating a high proportion of knock-out alleles and thus resembling stable knock-out models. We applied multiple techniques to evaluate skeletal characteristics at 7, 14 and 90 days post-fertilization (dpf), including microscopy for osteoblast reporter visualization and mineralization by Alizarin Red S staining, and microCT for quantitative skeletal analysis. While larval crispants exhibited variable differences in osteoblast-positive and mineralized surface areas, adult-stage crispants displayed more pronounced and consistent skeletal phenotypes. Notably, all crispants developed malformed neural and haemal arches, with a majority presenting vertebral fractures and fusions, and some showing significant alterations in vertebral bone volume and density. In addition, aldh7a1 and mbtps2 crispants experienced increased mortality due to severe skeletal deformities. RT-qPCR analysis of osteoblast differentiation and bone formation markers at larval stages indicated differential expression of osteogenic markers bglap and col1a1a in a substantial portion of the crispants, hinting at their utility as biomarkers for FBD crispant screening. In summary, our findings demonstrate that crispant screening in zebrafish offers a viable and efficient strategy for the functional assessment of FBD genes. We advocate for a comprehensive approach that integrates various techniques and evaluates distinct skeletal and molecular profiles across different developmental and adult stages. This methodology has the potential to provide new insights into the role of these genes in skeletal biology.