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.

ABSTRACT The functions of estrogen receptors (ERs) in mouse ovary and genital tracts were investigated by generating null mutants for ERα (ERαKO), ERβ (ERβKO) and both ERs (ERαβKO). All ERαKO females are sterile, whereas ERβKO females are either infertile or exhibit variable degrees of subfertility. Mast cells present in adult ERαKO and ERαβKO ovaries could participate in the generation of hemorrhagic cysts. Folliculogenesis proceeds normally up to the large antral stage in both ERαKO and ERβKO adults, whereas large antral follicles of ERα+/−/ERβKO and ERαβKO adults are markedly deficient in granulosa cells. Similarly, prematurely developed follicles found in prepubertal ERαKO ovaries appear normal, but their ERαβKO counterparts display only few granulosa cell layers. Upon superovulation treatment, all prepubertal ERαKO females form numerous preovulatory follicles of which the vast majority do not ovulate. The same treatment fails to elicit the formation of preovulatory follicles in half of the ERβKO mice and in all ERα+/−/ERβKO mice. These and other results reveal a functional redundancy between ERα and ERβ for ovarian folliculogenesis, and strongly suggest that (1) ERβ plays an important role in mediating the stimulatory effects of estrogens on granulosa cell proliferation, (2) ERα is not required for follicle growth under wild type conditions, while it is indispensable for ovulation, and (3) ERα is also necessary for interstitial glandular cell development. Our data also indicate that ERβ exerts some function in ERαKO uterus and vagina. ERαβKO granulosa cells localized within degenerating follicles transform into cells displaying junctions that are unique to testicular Sertoli cells. From the distribution pattern of anti-Müllerian hormone (AMH) in ERαβKO ovaries, it is unlikely that an elevated AMH level is the cause of Sertoli cell differentiation. Our results also show that cell proliferation in the prostate and urinary bladder of old ERβKO and ERαβKO males is apparently normal.

Conditional DNA excision between two LoxP sites can be achieved in the mouse using Cre-ERT, a fusion protein between a mutated ligand binding domain of the human estrogen receptor (ER) and the Cre recombinase, the activity of which can be induced by 4-hydroxy-tamoxifen (OHT), but not natural ER ligands. We have recently characterized a new ligand-dependent recombinase, Cre-ERT2, which was ∼4-fold more efficiently induced by OHT than Cre-ERT in cultured cells. In order to compare the in vivo efficiency of these two ligand-inducible recombinases to generate temporally-controlled somatic mutations, we have engineered transgenic mice expressing a LoxP-flanked (floxed) transgene reporter and either Cre-ERT or Cre-ERT2 under the control of the bovine keratin 5 promoter that is specifically active in the epidermis basal cell layer. No background recombinase activity could be detected, while recombination was induced in basal keratinocytes upon OHT administration. Interestingly, a dose-response study showed that Cre-ERT2 was ∼10-fold more sensitive to OHT induction than Cre-ERT.

ABSTRACT This study provides a detailed description of the anatomical defects in the Hoxa-1−/−mutant mice previously generated in our laboratory (T. Lufkin, A. Dierich, M. LeMeur, M. Mark and P. Chambon, 1991; Cell 66, 1105-1119). Three-dimensional reconstructions of the Hoxa-1−/− rhombencephalon reveals that it bears only five rhombomeric structures (ie. morphological segments) instead of the normal seven. The first three of these rhombomeres appear normal as judged from the distribution pattern of CRABPI transcripts in the neurectoderm and from the histological analysis of the cranial nerve components derived from these structures. In contrast, the neural-crest-cell-free region normally located opposite rhombomere 5 is lacking in Hoxa-1−/− embryos, and motor neurons of the facial and abducens nerves, which normally differentiate within rhombomeres 4, 5 and 6, are missing in Hoxa-1−/− fetuses. These morphological data, combined with the determination of the molecular positional identities of the rhombomeres 4 and 5 (P. Dollé, T. Lufkin, R. Krumlauf, M. Mark, D. Duboule and P. Chambon, 1993; Proc. Natl. Acad. Sci. USA, in press), suggest that rhombomere 4 is markedly reduced, whereas rhombomere 5 is almost absent. Thus, the remnants of rhombomeres 4 and 5 appear to be fused caudally with rhombomere 6 to form a single fourth rhombomeric structure. Moreover, the migration of neural crest cells contributing to the glossopharyngeal and vagus nerves occurs in a more rostral position, resulting in abnormalities of these cranial nerves, which were visualized by whole-mount anti-neurofilament immunostaining. The mutual relationship along the rostrocaudal axis between the otic pit and the neuroepithelial site of int-2 protein secretion (a putative otogenic cue) is not significantly changed in Hoxa-1−/− embryos. However, the abnormal relationship between the rhombencephalon and the epithelial inner ear may account for the aplasia and faulty differentiation of the membranous labyrinth, the disruption of the cartilaginous otic capsule and the disorganisation of some middle ear structures. This phenotype is compared with that of the Hoxa-1−/− mutants generated by O. Chisaka, T. S. Musci and M. R. Capecchi, 1992 (Nature 335, 516-520) and with that of the mice homozygous for the kreisler mutation.

The peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ) mediates the activity of the insulin-sensitizing thiazolidinediones and plays an important role in adipocyte differentiation and fat accretion. The analysis of PPARγ functions in mature adipocytes is precluded by lethality of PPARγ –/– fetuses and tetraploid-rescued pups. Therefore we have selectively ablated PPARγ in adipocytes of adult mice by using the tamoxifen-dependent Cre-ER T2 recombination system. We show that mature PPARγ-null white and brown adipocytes die within a few days and are replaced by newly formed PPARγ-positive adipocytes, demonstrating that PPARγ is essential for the in vivo survival of mature adipocytes, in addition to its well established requirement for their differentiation. Our data suggest that potent PPARγ antagonists could be used to acutely reduce obesity.

Gametes are generated through a specialized cell differentiation process, meiosis which, in most mammals, is initiated in ovaries during fetal life. It is widely admitted that all-trans retinoic acid (ATRA) is the molecular signal triggering meiosis initiation in mouse female germ cells, but a genetic approach in which ATRA synthesis is impaired disputes this proposal. In the present study, we investigated the contribution of endogenous ATRA to meiosis by analyzing fetuses lacking all RARs ubiquitously, obtained through a tamoxifen-inducible cre recombinase-mediated gene targeting approach. Efficient ablation of RAR-coding genes was assessed by the multiple congenital abnormalities displayed by the mutant fetuses. Unexpectedly, their germ cells robustly expressed STRA8, REC8, SYCP1 and SYCP3, showing that RAR are actually dispensable up to the zygotene stage of meiotic prophase I. Thus our study goes against the current model according to which meiosis is triggered by endogenous ATRA in the developing ovary and revives the identification of the meiosis-preventing substance synthesized by CYP26B1 in the fetal testis.

ABSTRACT NR5A1 is an orphan nuclear receptor crucial for gonadal development in mammals. In the mouse testis it is expressed both in Sertoli cells (SC) and Leydig cells (LC). To investigate its role posteriorly to sex determination, we have generated and analysed mice lacking NR5A1 in SC from embryonic day (E) 13.5 onwards ( Nr5a1 SC−/− mutants). Ablation of Nr5a1 impairs the expression of genes characteristic of SC identity (e.g., Sox9, Amh ), makes SC to progressively die from E14.5 by a Trp53 -independent mechanism, and induces disorganization of the testis cords, which, together, yields germ cells (GC) to prematurely enter meiosis and die, instead of becoming quiescent. Single-cell RNA-sequencing experiments revealed that Nr5a1 -deficient SC acquire a pre-granulosa cell-like identity, and profoundly modify the landscape of the adhesion molecules and extracellular matrix they express. We propose therefore that SC lacking NR5A1 transdifferentiate and die by anoikis. Fetal LC do not display major changes in their transcriptome, indicating that SC are not required beyond E14.5 for their emergence or maintenance. In contrast, adult LC were missing in Nr5a1 SC−/− postnatal testes. In addition, adult males display Müllerian duct derivatives (i.e., uterus, vagina), as well as a decreased anogenital distance and a shorter penis that can be explained by loss of AMH production and defective HSD17B1- and HSD17B3-mediated synthesis of testosterone in SC during fetal life. Together, our findings indicate that Nr5a1 expressed in SC after the period of sex determination safeguards SC identity, which maintains proper seminiferous cord organization and prevents GC to enter meiosis.