Abstract Despite hundreds of risk loci from genome-wide association studies of neuropsychiatric disorders, causal variants/genes remain largely unknown. Here, in NEUROG2 -induced human neurons, we identified 31 risk SNPs in 26 schizophrenia (SZ) risk loci that displayed allele-specific open chromatin (ASoC) and were likely to be functional. Editing the strongest ASoC SNP rs2027349 near vacuolar protein sorting 45 homolog ( VPS45 ) altered the expression of VPS45 , lncRNA AC244033.2 , and a distal gene, C1orf54 , in human neurons. Notably, the global gene expression changes in neurons were enriched for SZ risk and correlated with post-mortem brain gene expression signatures of neuropsychiatric disorders. Neurons carrying the risk allele exhibited increased dendritic complexity, synaptic puncta density, and hyperactivity, which were reversed by knocking-down distinct cis -regulated genes ( VPS45 , AC244033.2 , or C1orf54 ), suggesting a phenotypic contribution from all three genes. Interestingly, transcriptomic analysis of knockdown cells suggested a non-additive effects of these genes. Our study reveals a compound effect of multiple genes at a single SZ locus on synaptic development and function, providing a mechanistic link between a non-coding SZ risk variant and disease-related cellular phenotypes.

Abstract Neuropsychiatric disorders (NPDs) share genetic etiology and are frequently co-morbid with epilepsy, but the biological basis of this shared risk remains poorly understood. The 16p11.2 microduplication (16p11.2 dup/+ ) is a highly pleiotropic copy number variant (CNV) conferring risk for multiple NPDs including autism spectrum disorder, schizophrenia and intellectual disability, and is associated with a high prevalence of seizures. We used a mouse model of the 16p11.2 duplication ( 16p11.2 dup/+ ) to uncover molecular and circuit properties associated with this broad phenotypic spectrum, and examined genes within the locus capable of phenotype reversal. Quantitative proteomics of cortical membranes revealed alterations to synaptic protein networks and products of diverse NPD risk genes in 16p11.2 dup/+ mice. Network analysis identified an epilepsy-associated protein subnetwork, which was dysregulated in 16p11.2 dup/+ mice and proteomic datasets from human NPDs. We investigated circuit properties in 16p11.2 dup/+ mice and found they exhibited hypersynchronous activity and enhanced network glutamate release, which increased susceptibility to seizures. We hypothesized that a regulator of the synaptic and epilepsy-associated protein network could have an important impact on pathophysiology. Human brain co-expression and interactome analysis revealed PRRT2 as a major hub in the dysregulated epilepsy subnetwork. Remarkably, restoring Prrt2 copy number to wild-type levels rescued aberrant circuit properties, seizure susceptibility and social interaction deficits in 16p11.2 dup/+ mice. We show that proteomics and network biology can identify important disease hubs in multigenic CNVs, and reveal molecular and circuit phenotypes which may be relevant to the complex symptomatology of 16p11.2 duplication carriers.

ABSTRACT Identifying causative gene(s) within disease-associated large genomic regions of copy number variants (CNVs) is challenging. Here, by targeted sequencing of genes within schizophrenia (SZ)-associated CNVs in 1,779 SZ cases and 1,418 controls, we identified three rare putative loss-of-function (LoF) mutations in OTU deubiquitinase 7A (OTUD7A) within the 15q13.3 deletion in cases, but none in controls. To tie OTUD7A LoF with any SZ-relevant cellular phenotypes, we modeled the OTUD7A LoF mutation, rs757148409, in human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived induced excitatory neurons (iNs) by CRISPR/Cas9 engineering. The mutant iNs showed a ∼50% decrease in OTUD7A expression without undergoing nonsense-mediated mRNA decay. The mutant iNs also exhibited marked reduction of dendritic complexity, density of synaptic proteins GluA1 and PSD-95, and neuronal network activity. Congruent with the neuronal phenotypes in mutant iNs, our transcriptomic analysis showed that the set of OTUD7A LoF-downregulated genes was enriched for those relating to synapse development and function, and was associated with SZ and other neuropsychiatric disorders. These results suggest that OTUD7A LoF impairs synapse development and neuronal function in human neurons, providing mechanistic insight into the possible role of OTUD7A in driving neuropsychiatric phenotypes associated with the 15q13.3 deletion.

While many neuronal membrane-anchored proteins undergo proteolytic cleavage, little is known about the biological significance of neuronal ectodomain shedding. Using mass spectrometry (MS)-based proteomics, we showed that the neuronal sheddome mirrors human cerebrospinal fluid (hCSF). Among shed synaptic proteins in hCSF was the ectodomain of CNTNAP2 (CNTNAP2-ecto), a risk factor for neurodevelopmental disorders (NDD). Using structured-illumination microscopy (SIM), we mapped the spatial organization of neuronal CNTNAP2-ecto shedding. Using affinity chromatography followed by MS, we identified the ATP2B/PMCA Ca2+ extrusion pumps as novel CNTNAP2-ecto binding partners. CNTNAP2-ecto coimmunoprecipitates with PMCA2, a known autism risk factor, and enhances its activity, thereby modulating neuronal Ca2+ levels. Finally, we showed that CNTNAP2-ecto regulates neuronal network synchrony in primary cultures and brain slices. These data provide new insights into the biology of synaptic ectodomain shedding and reveal a novel mechanism of regulation of Ca2+ homeostasis and neuronal network synchrony.

Mutations in KCNQ2, which encodes a pore-forming K+ channel subunit responsible for neuronal M-current, cause neonatal epileptic encephalopathy, a complex disorder presenting with severe early-onset seizures and impaired neurodevelopment. The condition is exceptionally difficult to treat, partially because the effects of KCNQ2 mutations on the development and function of human neurons are unknown. Here, we used induced pluripotent stem cells and gene editing to establish a disease model and measured the functional properties of patient-derived neurons using electrophysiological and optical approaches. We find that while patient-derived excitatory neurons exhibit reduced M-current early, they develop intrinsic and network hyperexcitability progressively. This hyperexcitability is associated with faster action potential repolarization, larger afterhyperpolarization, and functional enhancement of large conductance Ca2+-activated K+ (BK) channels. These properties facilitate a burst-suppression firing pattern that is reminiscent of the interictal electroencephalography pattern in patients. Importantly, we were able to phenocopy these excitability features in control neurons only by chronic but not acute pharmacological inhibition of M-current. Our findings suggest that dyshomeostatic mechanisms compound KCNQ2 loss-of-function and lead to alterations in the neurodevelopmental trajectory of patient-derived neurons. Our work has therapeutic implications in explaining why KCNQ2 agonists are not beneficial unless started at an early disease stage.

A decade of genetic studies has established Contactin-associated protein-like 2 (CNTNAP2) as a prominent susceptibility gene associated with multiple neurodevelopmental disorders. The development and characterization of Cntnap2 knockout models in multiple species have bolstered this claim by establishing clear connections with certain endophenotypes. Despite these remarkable in vivo findings, CNTNAP2's molecular functions are relatively unexplored, highlighting the need to identify novel protein partners. Here, we characterized an interaction between CNTNAP2 and Partitioning-defective 3 (Par3) - a polarity molecule we isolated in a yeast-two hybrid screen with CNTNAP2's C-terminus. We provide evidence that the two proteins interact via PDZ domain-mediated binding, that CNTNAP2+/Par3+ complexes are largely associated with clathrin-coated endocytic vesicles, and that Par3 causes an enlargement of these structures. Live imaging and fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) reveals that Par3 limits the mobility of CNTNAP2 at endosomes, thus stabilizing it at that location. Finally, expression of Par3 but not Par3DeltaPDZ can cluster endogenous CNTNAP2 in primary neurons. Collectively, we conclude that Par3 regulates CNTNAP2 spatial localization to endocytic compartments.

Tissue-specific reverse engineering of transcriptional networks has uncovered master regulators (MRs) of cellular networks in various cancers, yet the application of this method to neuropsychiatric disorders is largely unexplored. Here, using RNA-Seq data on postmortem dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) from schizophrenia (SCZ) patients and control subjects, we deconvolved the transcriptional network to identify MRs that mediate expression of a large body of target genes. Together with an independent RNA-Seq data on cultured cells derived from olfactory neuroepithelium, we identified TCF4 , a leading SCZ risk locus implicated by genome-wide association studies, as one of the top candidate MRs that may be potentially dysregulated in SCZ. We validated the dysregulated TCF4-related transcriptional network through examining the transcription factor binding footprints inferred from human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived neuronal ATAC-Seq data, as well as direct binding sites obtained from ChIP-seq data in SH-SY5Y cells. The predicted TCF4 transcriptional targets were enriched for genes showing transcriptomic changes upon knockdown of TCF4 in hiPSC-derived neural progenitor cells (NPC) and glutamatergic neurons (Glut\_N), based on observations from three separate cell lines. The altered TCF4 gene network perturbations in NPC, as compared to that in Glut\_N, was more similar to the expression differences in the TCF4 gene network observed in the DLPFC of individuals with SCZ. Moreover, TCF4 -associated gene expression changes in NPC were more enriched than Glut_N for pathways involved in neuronal activity, genome-wide significant SCZ risk genes, and SCZ-associated de novo mutations. Our results suggest that TCF4 may potentially serve as a MR of a gene network that confers susceptibility to SCZ at early stage of neurodevelopment, highlighting the importance of network dysregulation involving core genes and many hundreds of peripheral genes in conferring susceptibility to neuropsychiatric diseases.