Abstract Recent large-scale human genome-wide association studies (GWAS) for insomnia have identified more than 200 significant loci. The functional relevance of these loci to the pathogenesis of insomnia is largely unknown. GWAS signals are typically non-coding variants, which are often arbitrarily annotated to the nearest protein-coding gene; however, due to 3D chromatin structure, variants can interact with more distal genes driving their function. The distal gene may, therefore, represent the true causal gene influencing the phenotype. By integrating our high-resolution chromatin interaction maps from neural progenitor cells with phenotypic data from a Drosophila RNAi screen, we prioritized candidate genes that we hypothesized would have deep phylogenetic conservation of sleep function. To determine the conservation of these candidate genes in the context of vertebrate sleep and their relevance to insomnia-like behaviors, we performed CRISPR-Cas9 mutagenesis in larval zebrafish for six highly conserved candidate genes and examined sleep-wake behaviors using automated video-tracking. CRISPR mutation of zebrafish orthologs of MEIS1 and SKIV2L produced insomnia-like behaviors, while mutation of ARFGAP2 impaired activity and development in our larval zebrafish model, demonstrating the importance of performing functional validation of GWAS-implicated effector genes to reveal genes influencing disease-relevant mechanisms.

Abstract Background Adequate sleep is important for proper neurodevelopment and positive health outcomes. Sleep disturbances are more prevalent in children with genetically determined neurodevelopmental syndromes compared to typically developing counterparts. We characterize sleep behavior in Rett (RTT), Angelman (AS) and Prader-Willi (PWS) syndromes in order to identify effective approaches for treating sleep problems in these populations. We compared sleep-related symptoms across individuals with these different syndromes to each other, and to typically developing controls. Methods Children were recruited from the Rare Diseases Clinical Research Network (RDCRN) consortium registries; unaffected siblings were enrolled as related controls. For each participant, a parent completed multiple sleep questionnaires including: Pediatric Sleep Questionnaire (Sleep-Disordered Breathing [SDB]); Children’s Sleep Habits Questionnaire; Pediatric Daytime Sleepiness Scale. Results Sleep data were analyzed from 714 participants, ages 2-18 years. Young children with AS had more reported sleep problems than children with RTT or PWS. Older children with RTT had more reported daytime sleepiness than those with AS or PWS. Finally, all individuals with RTT had more evidence of sleep-disordered breathing when compared to individuals with PWS. Notably, typically developing siblings were also reported to have sleep problems, except for sleep-related breathing disturbances which were associated with each of the genetic syndromes. Conclusions Individuals with RTT, AS and PWS frequently experience sleep problems, including sleep-disordered breathing. Screening for sleep problems in individuals with these and other neurogenetic disorders should be included in clinical assessment and managements. These data may also be useful in developing treatment strategies and in clinical trials.

Obstructive sleep apnea (OSA) is defined by frequent episodes of reduced or complete cessation of airflow during sleep and is linked to negative health outcomes. Understanding the genetic factors influencing expression of OSA may lead to new treatment strategies. Electronic health records can be leveraged to both validate previously reported OSA-associated genomic variation and detect novel relationships between these variants and comorbidities. We identified candidate single nucleotide polymorphisms (SNPs) via systematic literature review of existing research. Using datasets available at Geisinger (n=39,407) and Vanderbilt University Medical Center (n=24,084), we evaluated associations between 48 SNPs and OSA diagnosis, defined using clinical codes. We also evaluated associations between these SNPs and OSA severity measures obtained from sleep reports at Geisinger (n=6,571). Finally, we used a phenome-wide approach to perform discovery and replication analyses testing associations between OSA candidate SNPs and other clinical codes and laboratory values. Ten SNPs were associated with OSA diagnosis in at least one dataset, and one additional SNP was associated following meta-analysis across all datasets. Three other SNPs were solely associated in subgroups defined by established risk factors (i.e., age, sex, and BMI). Five OSA diagnosis-associated SNPs, and 16 additional SNPs, were associated with OSA severity measures. SNPs associated with OSA diagnosis were also associated with codes reflecting cardiovascular disease, diabetes, celiac disease, peripheral nerve disorders and genitourinary symptoms. Results highlight robust OSA-associated SNPs, and provide evidence of convergent mechanisms influencing risk for co-occurring conditions. This knowledge can lead to more personalized treatments for OSA and related comorbidities.

Autism spectrum disorders (ASD) are neurodevelopmental conditions that are influenced by genetic factors and encompass a wide-range and severity of symptoms. The details of how genetic variation contributes to variable symptomatology are unclear, creating a major challenge for translating vast amounts of data into clinically-useful information. To determine if variation in ASD risk genes correlates with symptomatology differences among individuals with ASD, thus informing treatment, we developed an approach to calculate the likelihood of genetic dysfunction in Gene Ontology-defined biological processes that have significant overrepresentation of known risk genes. Using whole-exome sequence data from 2,381 individuals with ASD included in the Simons Simplex Collection, we identified likely damaging variants and conducted a clustering analysis to define subgroups based on scores reflecting genetic dysfunction in each process of interest to ASD etiology. Dysfunction in cognition-related genes distinguished a distinct subset of individuals with increased social deficits, lower IQs, and reduced adaptive behaviors when compared to individuals with no evidence of cognition-related gene dysfunction. In particular, a stop-gain variant in the pharmacogene encoding cycloxygenase-2 was associated with having an IQ<70 (i.e. intellectual disability), a key comorbidity in ASD. We expect that screening genes involved in cognition for deleterious variants in ASD cases may be useful for identifying clinically-informative factors that should be prioritized for functional follow-up. This has implications in designing more comprehensive genetic testing panels and may help provide the basis for more informed treatment in ASD.

Abstract Hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) ion channels generate electrical rhythmicity in various tissues although primarily heart, retina and brain. The HCN channel blocker compound, Ivabradine (Corlanor), is approved by the US Food and Drug Administration (FDA) as a medication to lower heart rate by blocking hyperpolarization activated inward current in the sinoatrial node. In addition, a growing body of evidence suggests a role for HCN channels in regulation of sleep/wake behavior. Zebrafish larvae are ideal model organisms for high throughput drug screening, drug repurposing and behavioral phenotyping studies. We leveraged this model system to investigate effects of three HCN channel blockers (Ivabradine, Zatebradine Hydrochloride and ZD7288) at multiple doses on sleep/wake behavior in wild type zebrafish. Results of interest included shorter latency to day time sleep at 0.1 μM dose of Ivabradine (ANOVA, p:0.02), moderate reductions in average activity at 30 μM dose of Zatebradine Hydrochloride (ANOVA, p:0.024) in daytime, and increased nighttime sleep at 4.5 μM dose of ZD7288 (ANOVA, p:0.036). These differences support the hypothesis that compounds blocking HCN channels decreases wakefulness. Highlights A drug screening study in which effects of HCN channel blocker compounds were tested displayed decreased wakefulwness in zebrafish. There was modest evidence of these drugs on sleep and wake phenotypes including shorter latency to sleep, moderate reductions in average activity and increased sleep at different doses of three compounds compared to DMSO. While several specific doses of Ivabradine, Zatebradine hydrochloride or ZD7288 demonstrated some differences compared to DMSO, effects of these compounds was smaller than the effect of melatonin, a positive control.