Abstract Down syndrome (DS) is the most common genetic form of intellectual disability caused by the presence of an additional copy of human chromosome 21 (Hsa21). To provide novel insights into genotype–phenotype correlations, we used standardized behavioural tests, magnetic resonance imaging (MRI) and hippocampal gene expression to screen several DS mouse models for the mouse chromosome 16 region homologous to Hsa21. First, we unravelled several genetic interactions between different regions of chromosome 21 and how they contribute significantly to altering the outcome of the phenotypes in brain cognition, function and structure. Then, in-depth analysis of misregulated expressed genes involved in synaptic dysfunction highlighted 6 biological cascades centred around DYRK1A, GSK3β, NPY, SNARE, RHOA and NPAS4. Finally, we provide a novel vision of the existing altered gene-gene crosstalk and molecular mechanisms targeting specific hubs in DS models that should become central to better understanding of DS and improving the development of therapies.

ABSTRACT Down syndrome is caused by trisomy of human chromosome 21 (Hsa21). The understanding of phenotype-genotype relationships, the identification of driver genes and various proof-of-concepts for therapeutics have benefited from mouse models. The premier model, named Ts(17 16 )65Dn/J (Ts65Dn), displayed phenotypes related to the human DS features. It carries an additional minichromosome with the Mir155 t o Zbtb21 region of mouse chromosome 16 (Mmu16), homologous to Hsa21, encompassing around 90 genes, fused to the centromeric part of mouse chromosome 17 (Mmu17) from Pisd-ps2/Scaf8 to Pde10a , containing 46 genes, not related to Hsa21. Here, we report the investigation of a new model, Ts66Yah, generated by CrispR/Cas9 without the genomic region unrelated to Hsa21 on the minichromosome. As expected, Ts66Yah replicated DS cognitive features. However, certain phenotypes related to increased activity, spatial learning and molecular signatures, were changed suggesting genetic interactions between the Mir155-Zbtb21 and the Scaf8-Pde10a interval. Thus, Ts66Yah mice have a stronger construct and face validity for mimicking consequences of DS genetic overdosage. Furthermore, this report is the first to demonstrate genetic interactions between triplicated regions homologous to Hsa21 and others unrelated to Hsa21.

Interneuron development is a crucial step of brain corticogenesis. When affected it often leads to brain dysfunctions, such as epilepsy, intellectual disabilities and autism spectrum disorder. Such defects are observed in the DYRK1A-haploinsufficiency syndrome, caused by mutations of DYRK1A, and commonly associated to cortical excitatory/inhibitory imbalance. However, how this imbalance is established in this syndrome remains elusive. Here, using mouse models and live imaging, we show that Dyrk1a specifically regulates the development of the cortical GABAergic system. Unlike projection excitatory neurons, we demonstrate that interneuron tangential migration relies on Dyrk1a dosage and kinase activity through a mechanism involving actomyosin cytoskeleton remodeling. Interestingly, we further demonstrate that mice with heterozygous inactivation of Dyrk1a in interneurons show behavioral defects and epileptic activity, recapitulating phenotypes observed in human patients. Altogether, these data highlight the critical role of Dyrk1a in the development of the GABAergic system and the pathophysiology of DYRK1A-haploinsufficiency syndrome.

ABSTRACT Copy number variations (CNVs) of the human 16p11.2 locus are associated with several developmental/neurocognitive syndromes. Particularly, deletion and duplication of this genetic interval are found in patients with autism spectrum disorders, intellectual disability and other psychiatric traits. The high gene density associated with the region and the strong phenotypic variability of incomplete penetrance, make the study of the 16p11.2 syndromes extremely complex. To systematically study the effect of 16p11.2 CNVs and identify candidate genes and molecular mechanisms involved in the pathophysiology, mouse models were generated previously and showed learning and memory, and to some extent social deficits. To go further in understanding the social deficits caused by 16p11.2 syndromes, we engineered deletion and duplication of the homologous region to the human 16p11.2 genetic interval in two rat outbred strains, Sprague Dawley (SD) and Long Evans (LE). The 16p11.2 rat models displayed convergent defects in social behaviour and only a few cognitive defects. Interestingly major pathways affecting MAPK3 and CUL3 were found altered in the rat 16p11.2 models with additional changes in males compared to females. Altogether, the consequences of the 16p11.2 genetic region dosage on social behaviour are now found in three different species: humans, mice and rats. In addition, the rat models pointed to sexual dimorphism, with lower severity of phenotypes in rat females compared to male mutants. This phenomenon is also observed in humans. We are convinced that the two rat models will be key to further investigating social behaviour and understanding the brain mechanisms and specific brain regions that are key to controlling social behaviour.