Abstract The International Mouse Phenotyping Consortium (IMPC) systematically produces and phenotypes mouse lines with presumptive null mutations to provide insight into gene function. The IMPC now uses the programmable RNA-guided nuclease Cas9 for its increased capacity and flexibility to efficiently generate null alleles in the C57BL/6N strain. In addition to being a valuable novel and accessible research resource, the production of 3,313 knockout mouse lines using comparable protocols provides a rich dataset to analyze experimental and biological variables affecting in vivo gene engineering with Cas9. Mouse line production has two critical steps – generation of founders with the desired allele and germline transmission (GLT) of that allele from founders to offspring. A systematic evaluation of the variables impacting success rates identified gene essentiality as the primary factor influencing successful production of null alleles. Collectively, our findings provide best practice recommendations for using Cas9 to generate alleles in mouse essential genes, many of which are orthologs of genes linked to human disease.

Abstract Sporadic Creutzfeldt-Jakob disease (sCJD), the most common human prion disease, is thought to occur when the cellular prion protein (PrP C ) spontaneously misfolds and assembles into prion fibrils, culminating in fatal neurodegeneration. In a genome-wide association study of sCJD, we recently identified risk variants in and around the gene STX6 , with evidence to suggest a causal increase of STX6 expression in disease-relevant brain regions. STX6 encodes syntaxin-6, a SNARE protein primarily involved in early endosome to trans -Golgi network retrograde transport. Here we developed and characterised a mouse model with genetic depletion of Stx6 and investigated a causal role of Stx6 expression in mouse prion disease through a classical prion transmission study, assessing the impact of homozygous and heterozygous syntaxin-6 knockout on disease incubation periods and prion-related neuropathology. Following inoculation with RML prions, incubation periods in Stx6 -/- and Stx6 +/- mice differed by 12 days relative to wildtype. Similarly, in Stx6 -/- mice, disease incubation periods following inoculation with ME7 prions also differed by 12 days. Histopathological analysis revealed a modest increase in astrogliosis in ME7-inoculated Stx6 -/- animals and a variable effect of Stx6 expression on microglia activation, however no differences in neuronal loss, spongiform change or PrP deposition were observed at endpoint. Importantly, Stx6 -/- mice are viable and fertile with no gross impairments on a range of neurological, biochemical, histological and skeletal structure tests. Our results provide some support for a pathological role of Stx6 expression in prion disease, which warrants further investigation in the context of prion disease but also other neurodegenerative diseases considering syntaxin-6 appears to have pleiotropic risk effects in progressive supranuclear palsy and Alzheimer’s disease. Author Summary Sporadic Creutzfeldt-Jakob disease (sCJD), the most common human prion disease, is an invariably fatal disease with no established disease-modifying treatments. The identification of STX6 as a proposed risk gene for sCJD motivated the generation of a new mouse knockout model, in which we found no grossly deleterious phenotypes. A transmission study in Stx6 -/- , Stx6 +/- and Stx6 +/+ mice challenged with two prion strains showed reduced syntaxin-6 expression is associated with a modest prolongation of prion disease incubation periods, supporting a pathological role of Stx6 expression in prion disease pathogenesis. Syntaxin-6 appears to have pleiotropic risk effects across multiple neurodegenerative diseases including progressive supranuclear palsy and Alzheimer’s disease. Thus, this work supports further exploration of the STX6 susceptibility mechanism, which likely has relevance across multiple neurodegenerative diseases.

Recent developments in CRISPR/Cas9 genome editing tools have facilitated the introduction of more complex alleles, often spanning genetic intervals of several kilobases, directly into the embryo. These techniques often produce mosaic founder animals and the introduction of donor templates, via homologous directed repair, can be erroneous or incomplete. Newly generated alleles must be verified at the sequence level across the targeted locus. Screening for the presence of the desired mutant allele using traditional sequencing methods can be challenging due to the size of the desired edit(s) together with founder mosaicism. In order to help disentangle the genetic complexity of these animals, we tested the application of Oxford Nanopore long read sequencing of the targeted locus. Taking advantage of sequencing the entire length of the segment in each single read, we were able to determine whether the entire intended mutant sequence was present in both mosaic founders and their offspring.

Abstract Mutations of the adaptor protein-2 sigma subunit ( AP2S1 ) gene which encodes AP2σ2, a component of the ubiquitous AP2 heterotetrameric complex involved in endosomal trafficking of the calcium-sensing receptor (CaSR), cause familial hypocalciuric hypercalcemia type 3 (FHH3). FHH3 patients have heterozygous AP2S1 missense Arg15 mutations (p.Arg15Cys, p.Arg15His or p.Arg15Leu) with marked hypercalcemia and occasional hypophosphatemia and osteomalacia. To further characterise the phenotypic spectrum and calcitropic pathophysiology of FHH3, we used CRISPR/Cas9 genome editing to generate mice harboring the AP2S1 p.Arg15Leu mutation, which causes the most severe FHH3 phenotype. Heterozygous ( Ap2s1 +/L15 ) mice were viable, and had marked hypercalcemia, hypermagnesemia, hypophosphatemia, and increased plasma concentrations of parathyroid hormone, fibroblast growth factor 23 and alkaline phosphatase activity, but normal pro-collagen type 1 N-terminal pro-peptide and 1,25 dihydroxyvitamin D. Homozygous ( Ap2s1 L15/L15 ) mice invariably died perinatally. The AP2S1 p.Arg15Leu mutation impaired protein-protein interactions between AP2σ2 and the other AP2 subunits, and the CaSR. Cinacalcet, a CaSR allosteric activator, ameliorated the hypercalcemia and elevated PTH concentrations, but not the diminished AP2σ2-CaSR interaction. Thus, our studies have established a mouse model with a germline loss-of-function AP2S1 mutation that is representative for FHH3 in humans, and demonstrated that cinacalcet corrects the abnormalities of plasma calcium and PTH.

SUMMARY Amyotrophic lateral sclerosis - frontotemporal dementia spectrum disorder (ALS/FTD) is a complex neurodegenerative disease; up to 10% of cases are familial, usually arising from single dominant mutations in >30 causative genes. Transgenic mouse models that overexpress human ALS/FTD causative genes have been the preferred organism for in vivo modelling. However, while conferring human protein biochemistry, these overexpression models are not ideal for dosage-sensitive proteins such as TDP-43 or FUS. We have created three next-generation genomically humanised knock-in mouse models for ALS/FTD research, by replacing the entire mouse coding region of Sod1 , Tardbp (TDP-43) and Fus , with their human orthologues to preserve human protein biochemistry, with exons and introns intact to enable future modelling of coding or non-coding mutations and variants and to preserve human splice variants. In generating these mice, we have established a new-standard of quality control: we demonstrate the utility of indirect capture for enrichment of a region of interest followed by Oxford Nanopore sequencing for robustly characterising large knock-in alleles. This approach confirmed that targeting occurred at the correct locus and to map homologous recombination events. Furthermore, extensive expression data from the three lines shows that homozygous humanised animals only express human protein, at endogenous levels. Characterisation of humanised FUS animals showed that they are phenotypically normal compared to wildtype littermates throughout their lifespan. These humanised mouse strains are critically needed for preclinical assessment of interventions, such as antisense oligonucleotides (ASOs), to modulate expression levels in patients, and will serve as templates for the addition of human ALS/FTD mutations to dissect disease pathomechanisms.

Abstract Mammalian hearing involves the mechanoelectrical transduction (MET) of sound-induced fluid waves in the cochlea. Essential to this process are the specialised sensory cochlear cells, the inner (IHCs) and outer hair cells (OHCs). While genetic hearing loss is highly heterogeneous, understanding the requirement of each gene will lead to a better understanding of the molecular basis of hearing and also to therapeutic opportunities for deafness. The Neuroplastin ( Nptn ) gene, which encodes two protein isoforms Np55 and Np65, is required for hearing, and homozygous loss-of-function mutations that affect both isoforms lead to profound deafness in mice. Here we have utilised several distinct mouse models to elaborate upon the spatial, temporal, and functional requirement of Nptn for hearing. While we demonstrate that both Np55 and Np65 are present in cochlear cells, characterisation of a Np65-specific mouse knockout shows normal hearing thresholds indicating that Np65 is functionally redundant for hearing. In contrast, we find that Nptn -knockout mice have significantly reduced maximal MET currents and MET channel open probabilities in mature OHCs, with both OHCs and IHCs also failing to develop fully mature basolateral currents. Furthermore, comparing the hearing thresholds and IHC synapse structure of Nptn -knockout mice with those of mice that lack Nptn only in IHCs and OHCs shows that the majority of the auditory deficit is explained by hair cell dysfunction, with abnormal afferent synapses contributing only a small proportion of the hearing loss. Finally, we show that continued expression of NEUROPLASTIN in OHCs of adult mice is required for membrane localisation of Plasma Membrane Ca 2+ ATPase 2 (PMCA2), which is essential for hearing function. Moreover, Nptn haploinsufficiency phenocopies Atp2b2 (encodes PMCA2) mutations, with heterozygous Nptn -knockout mice exhibiting hearing loss through genetic interaction with the Cdh23 ahl allele. Together, our findings provide further insight to the functional requirement of Neuroplastin for mammalian hearing. Author Summary Sensorineural hearing loss, caused by problems with sensory cells in the cochlea or the auditory nerve, is the most common type of hearing loss. Mutations in Neuroplastin have already been implicated in deafness in mice. We have used mutant mouse models to investigate where Neuroplastin is expressed in the cochlea and its function. When mice do not express a functioning copy of Neuroplastin they have disruptions to the primary sensory synapse. We show that although synaptic disruption contributes to the loss of hearing function it is not the primary cause. Instead, continued expression of Neuroplastin is needed to maintain the localisation of Plasma Membrane Ca 2+ ATPase 2 channels which help regulate calcium flow. We have also shown that two types of NEUROPLASTIN protein (isoforms) are both expressed within the cochlea, although only one of these isoforms needs to be expressed for normal hearing. Finally, we also demonstrate that the hearing loss caused by the absence of Neuroplastin is made worse when combined with a common mutation within a gene called Cadherin 23 ( Cdh23 ahl ). This is an important finding as although there are currently no human patients with an identified NEUROPLASTIN mutation, it may be involved in human deafness in combination with other mutations.