Abstract Purpose Functional evidence is a pillar of variant interpretation according to ACMG guidelines. Functional evidence can be obtained in a variety of models and assay systems, including patient-derived tissues and iPSCs, in vitro cellular assays, and in vivo assays. Here we evaluate the reliability and practicality of variant interpretation in the small animal model, C . elegans , through a series of experiments evaluating the function of syntaxin binding protein, STXBP1, a well-known causative gene for Early infantile epileptic encephalopathy 1 (EIEE1). Methods Using CRISPR, we replaced the coding sequence for unc-18 with the coding sequence for the human ortholog STXBP1 . Next, we used CRISPR to introduce precise point mutations in the human STXBP1 coding sequence, reflecting three clinical categories (benign, pathogenic, and variants of uncertain significance (VUS)). We quantified 26 features of the resulting worms’ movement to train Random Forest (RF) and Support Vector Machines (SVM) machine learning classifiers on known pathogenic and benign variants. We characterized the classifiers, and then used the behavioral data from the VUS-expressing animals to predict the categorization of the VUS. Results Whereas knock-out worms without unc-18 are severely impaired in motor function, worms expressing STXBP1 in its place have restored motor function. We produced worms with STXBP1 variants previously classified by ACMG criteria, including 25 benign variants, 32 pathogenic, and 24 variants of uncertain significance (VUS). Using either SVM or RF classifiers, we were able to obtain a sensitivity of 0.84-0.97 on known benign and pathogenic strains. By comparing multiple ML classification methods, we were able to classify 9 of the VUS as functionally abnormal, suggesting that these VUS are likely to be pathogenic. Conclusions We demonstrate that automated analysis of a small animal system is an effective, scalable, and fast way to understand functional consequences of variants in STXBP1 , one of the most common causes of genetic epilepsies and neurodevelopmental disorders.

Abstract Hereditary spastic paraplegia (HSP) is a group of degenerative neurological disorders. We identified a variant in human kinesin light chain KLC4 that is suspected to be associated with autosomal dominant HSP. How this and other variants relate to pathologies is unknown. We created a humanized C. elegans model where klc- 2 was replaced with human KLC4 and assessed the extent to which hKLC4 retained function in the worm. We observed a slight decrease in motility but no nuclear migration defects in the humanized worms, suggesting that hKLC4 retains much of the function of klc-2 . Five hKLC4 variants were introduced into the humanized model. The clinical variant led to early lethality with significant defects in nuclear migration when homozygous, and a weak nuclear migration defect when heterozygous, possibly correlating with the clinical finding of late onset HSP when the proband was heterozygous. Thus, we were able to establish humanized C. elegans as an animal model for HSP and use it to test the significance of five variants of uncertain significance in the human gene KLC4 . Summary Statement We identified a variant in KLC4 associated with Hereditary Spastic Paraplegia. The variant had physiological relevance in a humanized C. elegans model where we replaced klc-2 with human KLC4 .

Abstract Striated muscle laminopathies caused by missense mutations in the nuclear lamin gene LMNA are characterized by cardiac dysfunction and often skeletal muscle defects. Attempts to predict which LMNA variants are pathogenic and to understand their physiological effects lags behind variant discovery. We created Caenorhabditis elegans models for striated muscle laminopathies by introducing pathogenic human LMNA variants and variants of unknown significance at conserved residues within the lmn-1 gene. Severe missense variants reduced fertility and/or motility in C. elegans . Nuclear morphology defects were evident in the hypodermal nuclei of many lamin variant strains, indicating a loss of nuclear envelope integrity. Phenotypic severity varied within the two classes of missense mutations involved in striated muscle disease, but overall, variants associated with both skeletal and cardiac muscle defects in humans lead to more severe phenotypes in our model than variants predicted to disrupt cardiac function alone. We also identified a separation of function allele, lmn-1(R204W) , that exhibited normal viability and swimming behavior but had a severe nuclear migration defect. Thus, we established C. elegans avatars for striated muscle laminopathies and identified LMNA variants that offer insight into lamin mechanisms during normal development. Author summary Muscular dystrophy is a progressive muscle-wasting disorder that eventually leads to cardiac disease. Mutations in the LMNA gene, which encodes an intermediate filament protein involved in the structure and organization of the nucleus, is a common but poorly understood cause of this disease. How variants across the breadth of LMNA contribute to mechanistic cellular defects that lead to disease is poorly understood, leading to hurdles in diagnosing disease and developing treatments. We found that by introducing amino acid substitutions found in patients with striated muscle disorders caused by LMNA into the conserved lmn-1 gene of the nematode C. elegans , we could rapidly test the function of these variants to better understand their roles. We found that variants modeling diseases that involve both skeletal and cardiac muscle in humans were the most pathogenic in C. elegans , typically affecting both viability and movement, while those that modeled cardiac disease alone had less deleterious effects in C. elegans . Furthermore, we uncovered molecular mechanisms for how lamins interact with other nuclear envelope proteins to carry out their cellular functions. Thus, our new C. elegans models can be used to diagnose and predict the severity of new variants of human LMNA as well as better understanding the molecular mechanisms of lamins in normal development.

ABSTRACT Mothers contribute cytoplasmic components to their progeny in a process called maternal provisioning. Provisioning is influenced by the parental environment, but the molecular pathways that transmit environmental cues from mother to progeny are not well understood. Here we show that in C. elegans , social cues modulate maternal provisioning to regulate gene silencing in offspring. Intergenerational signal transmission depends on a pheromone-sensing neuron and neuronal FMRF (Phe-Met-Arg-Phe)-like peptides. Parental FMRF signaling promotes the deposition of mRNAs for translational components in progeny, which in turn reduces gene silencing. Previous studies had implicated FMRF signaling in short-term responses such as modulated feeding behavior in response to the metabolic state 1,2 , but our data reveal a broader role, to coordinate energetically expensive processes such as translation and maternal provisioning. This study identifies a new pathway for intergenerational communication, distinct from previously discovered pathways involving small RNAs and chromatin, that links sensory perception to maternal provisioning.