ABSTRACT Missense variants in the presynaptic calcium sensor synaptotagmin-1 (SYT1) are associated with an autosomal dominant neurodevelopmental disorder (NDD). These cause dominant-negative impairment of evoked neurotransmitter release in a mutation-specific manner; however, whether NDD-associated variants also perturb the auxiliary functions of SYT1 remains unknown. We investigated whether the expression of SYT1 variants in cultured hippocampal neurons altered either action potential-independent spontaneous synaptic vesicle exocytosis or synaptic vesicle endocytosis. SYT1 variants did not induce dominant-negative impairment of either process, confirming that defective evoked exocytosis is the major pathogenic mechanism of SYT1-associated NDD. To examine the differential impacts of human variants on evoked exocytosis, both NDD-associated and strategic mutations were used to explore the functional importance of two distinct Ca 2+ -binding residues in the C2B domain. We show that both the nature of the amino acid change and the specific residues targeted determine the severity of exocytic disturbance. Together, this work informs understanding of SYT1 function and further clarifies potential mechanistic targets for treating SYT1-associated NDD.

Knowledge of genetic cause in neurodevelopmental disorders can highlight molecular and cellular processes critical for typical development. Furthermore, the relative homogeneity of neurodevelopmental disorders of known genetic origin allows the researcher to establish the subsequent neurobiological processes that mediate cognitive and behavioural outcomes. The current study investigated white matter structural connectivity in a group of individuals with intellectual disability due to mutations in ZDHHC9. In addition to shared cause of cognitive impairment, these individuals have a shared cognitive profile, involving oro-motor control difficulties and expressive language impairment. Analysis of structural network properties using graph theory measures showed global reductions in mean clustering coefficient and efficiency in the ZDHHC9 group, with maximal differences in frontal and parietal areas. Regional variation in clustering coefficient and local efficiency across cortical regions in cases and controls were significantly associated with known pattern of expression of ZDHHC9 in the normal adult human brain. The results demonstrate that a mutation in a single gene impacts upon white matter organisation across the whole-brain, but also shows regionally specific effects, according to variation in gene expression. Furthermore, these regionally specific patterns may link to specific developmental mechanisms, and correspond to specific cognitive deficits.

Abstract A range of rare mutations involving micro-deletion or -duplication of genetic material (copy number variants (CNVs)) have been associated with high neurodevelopmental and psychiatric risk (ND-CNVs). Irritability is frequently observed in childhood neurodevelopmental conditions, yet its aetiology is largely unknown. Genetic variation may play a role, but there is a sparsity of studies investigating the presentation of irritability in young people with ND-CNVs. This study aimed to investigate whether there is a difference in irritability in young people with rare ND-CNVs compared to those without ND-CNVs, and to what extent irritability is associated with psychiatric diagnoses and cognitive ability (IQ). Irritability and broader psychopathology were assessed in 485 young people with ND-CNVs and 164 sibling controls, using the child and adolescent psychiatric assessment. Autism was assessed using the social communication questionnaire, and intelligence quotient (IQ) by the Wechsler abbreviated scale of intelligence. Fifty four percent of young people with ND-CNVs met the threshold for irritability; significantly more than controls (OR = 3.77, CI = 3.07–7.90, p = 5.31 × 10 −11 ). When controlling for the presence of other psychiatric comorbidities, ND-CNV status was still associated with irritability. There was no evidence for a relationship between irritability and IQ. Irritability is an important aspect of the clinical picture in young people with ND-CNVs. This work shows that genetic variation is associated with irritability in young people with ND-CNVs, independent of psychiatric comorbidities or IQ impairment. Clinicians should be aware of this increased risk to inform management and interventions.

Cognitive processing depends on the temporal co-ordination of functional brain networks. This fundamental aspect of neurophysiology potentially bridges the genetic regulation of neuronal activity and developmental cognitive impairments. We investigated brain network dynamics in a neurodevelopmental disorder of known genetic origin, by comparing individuals with ZDHHC9-associated intellectual disability to individuals with no known impairment. We used Hidden Markov Modelling on magnetoencephalography (MEG) data, at rest and during auditory oddball stimulation, to characterise transient network dynamics. At rest, network dynamics distinguished the groups, with ZDHHC9 participants showing longer state activation. Crucially, ZDHHC9 gene expression levels predicted the group differences across networks, supporting an association between molecular pathology and neurophysiology. In contrast, network dynamics during auditory oddball stimulation did not show this association. We demonstrate a link between brain network dynamics and regional gene expression, and present a valuable method for understanding the real-time neural mechanisms linking genetic variation to cognitive difficulties.

Loss-of-function ZDHHC9 variants are associated with X-linked intellectual disability (XLID), rolandic epilepsy (RE) and developmental language difficulties. This study integrates human neurophysiological data with a computational model to identify a potential neural mechanism explaining ZDHHC9-associated differences in cortical function and cognition. Magnetoencephalography (MEG) data was collected during an auditory roving oddball paradigm from eight individuals with a ZDHHC9 loss-of-function variant (ZDHHC9 group) and seven age-matched individuals without neurological or neurodevelopmental difficulties (control group). Evoked responses to auditory stimulation were larger in amplitude and showed a later peak latency in the ZDHHC9 group but demonstrated normal stimulus-specific properties. Magnetic mismatch negativity (mMMN) amplitude was also increased in the ZDHHC9 group, reflected by stronger neural activation during deviant processing relative to the standard. A recurrent neural network (RNN) model was trained to mimic recapitulate group-level auditory evoked responses, and subsequently perturbed to test the hypothesised impact of ZDHHC9-driven synaptic dysfunction on neural dynamics. Results of model perturbations showed that reducing inhibition levels by weakening inhibitory weights recapitulates the observed group differences in evoked responses. Stronger reductions in inhibition levels resulted in increased peak amplitude and peak latency of RNN prediction relative to the pre-perturbation predictions. Control experiments in which excitatory connections were strengthened by the same levels did not result in consistently stable activity or AEF-like RNN predictions. Together, these results suggest that reduced inhibition is a plausible mechanism by which loss of ZDHHC9 function alters cortical dynamics during sensory processing.

Abstract Background Genes associated with Intellectual disability (ID) can be grouped into networks according to gene function. This study asked whether individuals with ID show differences in autism spectrum characteristics (ASC), depending on the functional network membership of their rare, pathogenic de novo genetic variants. Methods Children and young people with ID of known genetic origin were allocated to two broad functional network groups: synaptic physiology (n=29) or chromatin regulation (n=23). We applied principle components analysis to the Social Responsiveness Scale to map the structure of ASC in this population, and identified three components – Inflexibility, Social Understanding and Social Motivation. We then used Akaike Information Criterion (AIC) to test the best fitting models for predicting ASC components, including demographic factors (age, gender), non-ASC behavioural factors (global adaptive function, anxiety, hyperactivity, inattention) and gene functional networks. Results We found that, when other factors are accounted for, the chromatin regulation group showed higher levels of Inflexibility. We also observed contrasting predictors of ASC within each network group. Within the chromatin regulation group, Social Understanding was associated with inattention, and Social Motivation was predicted by hyperactivity. Within the synaptic group, Social Understanding was associated with hyperactivity, and Social Motivation was linked to anxiety. Conclusion We report that gene functional networks can predict Inflexibility, but not other ASC dimensions. Contrasting behavioural associations within each group suggests network-specific developmental pathways from genomic variation to autism. Simple classification of neurodevelopmental disorder genes as high risk or low risk for autism is unlikely to be valid or useful.

Abstract Pathogenic missense variants in the essential synaptic vesicle protein synaptotagmin-1 (SYT1) cause a neurodevelopmental disorder that is characterised by motor delay and intellectual disability, hyperkinetic movement disorder, episodic agitation, and visual impairments. SYT1 is the presynaptic calcium sensor that both triggers and drives synchronous neurotransmitter release. We have previously shown that pathogenic variants around the calcium-sensing region of the critical C2B domain decrease synaptic vesicle exocytosis in neurons. Here we show that recently identified variants within the facilitatory C2A domain of the protein (L159R, T196K, E209K, E219Q), as well as additional variants in the C2B domain (M303V, S309P, Y365C, G369D), share this underlying pathogenic mechanism, causing a graded and variant-dependent dominant-negative impairment in exocytosis. We establish that the extent of disruption to exocytosis in vitro correlates with neurodevelopmental impacts of this disorder. Specifically, the severity of motor and communication impairments exhibited by individuals harbouring these variants correlates with multiple measures of exocytic impairment. Together, this suggests that there is a genotype-function-phenotype relationship in SYT1-associated neurodevelopmental disorder, centring impaired evoked neurotransmitter release as a common pathogenic driver of this disorder. Moreover, this points toward a direct link between control of neurotransmitter release and development of adaptive functions, and provides a tractable target for therapeutic amelioration.

From X to the social movements of 2020–2022, there is high anticipation that Web 3.0 will open more doors for growth, connections, and opportunities to create change. OPINION | The future of technology has much potential to make the world a more equitable and inclusive place. Employing the principles of design justice can lead us in the right direction.