Approximately one-third of all mammalian genes are essential for life. Phenotypes resulting from knockouts of these genes in mice have provided tremendous insight into gene function and congenital disorders. As part of the International Mouse Phenotyping Consortium effort to generate and phenotypically characterize 5,000 knockout mouse lines, here we identify 410 lethal genes during the production of the first 1,751 unique gene knockouts. Using a standardized phenotyping platform that incorporates high-resolution 3D imaging, we identify phenotypes at multiple time points for previously uncharacterized genes and additional phenotypes for genes with previously reported mutant phenotypes. Unexpectedly, our analysis reveals that incomplete penetrance and variable expressivity are common even on a defined genetic background. In addition, we show that human disease genes are enriched for essential genes, thus providing a dataset that facilitates the prioritization and validation of mutations identified in clinical sequencing efforts. Identification and characterization, using a comprehensive embryonic phenotyping pipeline, of 410 lethal alleles during the generation of the first 1,751 of 5,000 unique gene knockouts produced by the International Mouse Phenotyping Consortium. Stephen Murray and colleagues, including those from the International Mouse Phenotyping Consortium, report on the first phase of the project to generate and phenotypically characterize 5,000 knockout mouse lines, the first systematic efforts to characterize the phenotypes of embryonic lethal mutations. They identify 410 lethal genes during the production of the first 1,751 unique gene knockouts, and characterize these in a comprehensive phenotyping pipeline that includes high-resolution 3D imaging methods. Unexpectedly, given the defined genetic background, they find a number of phenotypes with incomplete penetrance, including some gene knockouts with subviability. The authors also show that orthologues of these mouse essential genes are enriched in genes associated with human disease and show evidence of purifying selection in the human population.

The mouse inbred line C57BL/6J is widely used in mouse genetics and its genome has been incorporated into many genetic reference populations. More recently large initiatives such as the International Knockout Mouse Consortium (IKMC) are using the C57BL/6N mouse strain to generate null alleles for all mouse genes. Hence both strains are now widely used in mouse genetics studies. Here we perform a comprehensive genomic and phenotypic analysis of the two strains to identify differences that may influence their underlying genetic mechanisms.We undertake genome sequence comparisons of C57BL/6J and C57BL/6N to identify SNPs, indels and structural variants, with a focus on identifying all coding variants. We annotate 34 SNPs and 2 indels that distinguish C57BL/6J and C57BL/6N coding sequences, as well as 15 structural variants that overlap a gene. In parallel we assess the comparative phenotypes of the two inbred lines utilizing the EMPReSSslim phenotyping pipeline, a broad based assessment encompassing diverse biological systems. We perform additional secondary phenotyping assessments to explore other phenotype domains and to elaborate phenotype differences identified in the primary assessment. We uncover significant phenotypic differences between the two lines, replicated across multiple centers, in a number of physiological, biochemical and behavioral systems.Comparison of C57BL/6J and C57BL/6N demonstrates a range of phenotypic differences that have the potential to impact upon penetrance and expressivity of mutational effects in these strains. Moreover, the sequence variants we identify provide a set of candidate genes for the phenotypic differences observed between the two strains.

The International Mouse Phenotyping Consortium reports the generation of new mouse mutant strains for over 5,000 genes from targeted embryonic stem cells on the C57BL/6N genetic background. This includes 2,850 null alleles for which no equivalent mutant mouse line exists, 2,987 novel conditional-ready alleles, and 4,433 novel reporter alleles. This nearly triples the number of genes with reporter alleles and almost doubles the number of conditional alleles available to the scientific community. When combined with more than 30 years of community effort, the total mutant allele mouse resource covers more than half of the genome. The extensively validated collection is archived and distributed through public repositories, facilitating availability to the worldwide biomedical research community, and expanding our understanding of gene function and human disease.

Although genomic sequencing has been transformative in the study of rare genetic diseases, identifying causal variants remains a considerable challenge that can be addressed in part by new gene-specific knowledge. Here, we integrate measures of how essential a gene is to supporting life, as inferred from the comprehensive viability and phenotyping screens performed on knockout mice by the International Mouse Phenotyping Consortium and from human cell line essentiality screens. We propose a novel, cross-species gene classification across the Full Spectrum of Intolerance to Loss-of-function (FUSIL) and demonstrate that genes in five mutually exclusive FUSIL categories have differing characteristics in the biological processes they regulate, tissue expression levels and human mutation rates. Most notably, Mendelian disease genes, particularly those associated with developmental disorders, are highly overrepresented in the developmental lethal category, representing genes not essential for cell survival but required for organism development. Exploiting this finding, we have screened developmental disorder cases from three independent disease sequencing consortia and identified potentially pathogenic, de novo variants shared in different patients for several developmental lethal genes that have not previously been associated with rare disease. We therefore propose FUSIL as an efficient resource for disease gene discovery.

High-throughput phenomic projects typically generate complex data from small treatment and large control groups. These control groups increase the power of the analyses but introduce variation over time. A method is needed to locally select controls that maximise the analytic power while minimising the noise level from unspecified environmental factors. Here we introduce "soft windowing", a methodological approach that selects a window of time to accommodates the most appropriate controls for analysis. Using phenotype data from the International Mouse Phenotyping Consortium (IMPC), adaptive windows are applied so that control data collected locally to mutants are assigned the maximal weight, while data collected earlier or later has less weight. We apply this method to IMPC data and compare the results with those obtained by applying a standard non-windowed approach. Following a resampling approach in which samples of equal size and structure to that of mutants are drawn from control data, we demonstrate a 10% reduction of false positives from 2.5 million analyses. Further, we applied the method as part of the IMPC statistical pipeline that seeks to establish gene-phenotype associations by comparing mutants vs control data. We report an increase of 30% in the total significant p-values, as well as 106 vs 99 disease models with the soft-windowed and non-windowed approaches, respectively, from a set of 2,082 mutant mouse lines. Our method is generalisable and can benefit other large-scale phenomic projects such as the UK Biobank and the All of Us resources.

Acquisition of detailed structural and molecular information from intact biological samples, while preserving cellular three-dimensional structures, still represents a challenge for biological studies aiming to unravel system functions. Here we describe a novel X-ray-based methodology for analysis of gene expression pattern in intact murine brain ex vivo by microCT. The method relays on detection of bromine molecules in the products of enzymatic reaction generated by the β-galactosidase ( lacZ ) gene reporter. To demonstrate the feasibility of the method, the analysis of the expression pattern of tRNA endonuclease 54 ( Tsen54 )- lacZ reporter gene in the whole-mount murine brain in semi-quantitative manner is performed. Mutations in Tsen54 gene causes pontocerebellar hypoplasia (PCH), severe neurodegenerative disorder with both mental and motor deficits. Comparing relative levels of Tsen54 gene expression, we have demonstrated that highest Tsen54 expression observed in anatomical brain substructures important for the normal motor and memory functions in mice. In the forebrain strong expression in perirhinal, retrosplenial and secondary motor areas was observed. In olfactory area Tsen54 is highly expressed in the nucleus of the lateral olfactory tract, anterior olfactory and bed nuclei, while in hypothalamus in lateral mammillary nucleus and preoptic area. In hindbrain Tsen54 is expressed in the reticular, cuneate and trigeminal nuclei of medulla, and in pontine gray of pons and in cerebellum, in the molecular and Purkinje cell layers. Delineating anatomical brain regions in which Tsen54 is strongly expressed will allow functionally address the role Tsen54 gene in normal physiology and in PCH disease.