Abstract The acoustic startle response is an evolutionary conserved avoidance behavior. Disruptions in startle behavior, in particular startle magnitude, are a hallmark of several human neurological disorders. While the neural circuitry underlying startle behavior has been studied extensively, the repertoire of genes and genetic pathways that regulate this locomotor behavior has not been explored using an unbiased genetic approach. To identify such genes, we took advantage of the stereotypic startle behavior in zebrafish larvae and performed a forward genetic screen coupled with whole genome analysis. This identified mutants in eight genes critical for startle behavior, including two genes encoding proteins associated with human neurological disorders, Dolichol kinase (Dolk), a broadly expressed regulator of the glycoprotein biosynthesis pathway, and the potassium Shaker-like channel subunit Kv1.1. We demonstrate that Kv1.1 acts independently of supraspinal inputs to regulate locomotion, suggesting its site of action is within spinal circuitry. Moreover, we show that Kv1.1 protein is mis-localized in dolk mutants, suggesting they act in a common genetic pathway to regulate movement magnitude. Combined, our results identify a diverse set of eight genes all associated with human disorders that regulate zebrafish startle behavior and reveal a previously unappreciated role for Dolk and Kv1.1 in regulating movement magnitude via a common genetic pathway. Author summary Underlying all animal behaviors are neural circuits, which are controlled by numerous molecular pathways that direct neuron development and activity. To identify and study these molecular pathways that control behavior, we use a simple vertebrate behavior, the acoustic startle response, in the larval zebrafish. In response to an intense noise, larval zebrafish will quickly turn and swim away to escape. From a genetic screen, we have identified a number of mutants that behave in abnormal ways in response to an acoustic stimulus. We cloned these mutants and identified eight genes that regulate startle behavior. All eight genes are associated with human disorders, and here we focus on two genes, dolk and kcna1a , encoding Dolk, a key regulator of protein glycosylation, and the potassium channel Kv1.1, respectively. We demonstrate that loss of dolk or kcna1a causes larval zebrafish to perform exaggerated swim movements and that Dolk is required for Kv1.1 protein localization to axons of neurons throughout the nervous system, providing strong evidence that dolk and kcna1a act in a common molecular pathway. Combined, our studies provide new insights into the genetic regulation of startle behavior.

Abstract In the developing brain, groups of neurons organize into functional circuits that direct diverse behaviors. One such behavior is the evolutionarily conserved acoustic startle response, which in zebrafish is mediated by a well-defined hindbrain circuit. While numerous molecular pathways that guide neurons to their synaptic partners have been identified, it is unclear if and to what extent distinct neuron populations in the startle circuit utilize shared molecular pathways to ensure coordinated development. Here, we show that the planar cell polarity (PCP)-associated atypical cadherins Celsr3 and Celsr2, as well as the Celsr binding partner Frizzled 3a/Fzd3a, are critical for axon guidance of two neuron types that form synapses with each other: the command-like neuron Mauthner cells that drive the acoustic startle escape response, and spiral fiber neurons which provide excitatory input to Mauthner cells. We find that Mauthner axon growth towards synaptic targets is vital for Mauthner survival. We also demonstrate that symmetric spiral fiber input to Mauthner cells is critical for escape direction, which is necessary to respond to directional threats. Moreover, we identify distinct roles for Celsr3 and Celsr2, as Celsr3 is required for startle circuit development while Celsr2 is dispensable, though Celsr2 can partially compensate for loss of Celsr3 in Mauthner cells. This contrasts with facial branchiomotor neuron migration in the hindbrain, which requires Celsr2 while we find that Celsr3 is dispensable. Combined, our data uncover critical and distinct roles for individual PCP components during assembly of the acoustic startle hindbrain circuit. Highlights The PCP cadherin Celsr3 regulates startle circuit development in zebrafish Celsr3 and other PCP-associated proteins promote Mauthner axon growth and guidance Celsr3 is required for spiral fiber and glia targeting to the Mauthner axon cap Symmetric spiral fiber input to Mauthners is critical for escape direction