Underweight and obese phenotypes can both pose health risks. But whereas obesity has been associated with a number of genetic variants, little is known about the genetic basis of underweight. A large-scale screen of data from 28 cytogenetic centres in Europe and North America now shows that being underweight is frequently associated with duplication of a short region on chromosome 16. Deletion of this same chromosomal region has previously been associated with obesity. The observed associated phenotypes are opposites, or mirrors, of those reported in carriers of deletions at this locus, and correlate with changes in transcript levels for genes within the duplication but not within the adjacent regions. The suggestion is that severe obesity and being underweight could have mirror etiologies, possibly through contrasting effects on energy balance. Both obesity and being underweight have been associated with increased mortality1,2. Underweight, defined as a body mass index (BMI) ≤ 18.5 kg per m2 in adults and ≤ −2 standard deviations from the mean in children, is the main sign of a series of heterogeneous clinical conditions including failure to thrive3,4,5, feeding and eating disorder and/or anorexia nervosa6,7. In contrast to obesity, few genetic variants underlying these clinical conditions have been reported8,9. We previously showed that hemizygosity of a ∼600-kilobase (kb) region on the short arm of chromosome 16 causes a highly penetrant form of obesity that is often associated with hyperphagia and intellectual disabilities10. Here we show that the corresponding reciprocal duplication is associated with being underweight. We identified 138 duplication carriers (including 132 novel cases and 108 unrelated carriers) from individuals clinically referred for developmental or intellectual disabilities (DD/ID) or psychiatric disorders, or recruited from population-based cohorts. These carriers show significantly reduced postnatal weight and BMI. Half of the boys younger than five years are underweight with a probable diagnosis of failure to thrive, whereas adult duplication carriers have an 8.3-fold increased risk of being clinically underweight. We observe a trend towards increased severity in males, as well as a depletion of male carriers among non-medically ascertained cases. These features are associated with an unusually high frequency of selective and restrictive eating behaviours and a significant reduction in head circumference. Each of the observed phenotypes is the converse of one reported in carriers of deletions at this locus. The phenotypes correlate with changes in transcript levels for genes mapping within the duplication but not in flanking regions. The reciprocal impact of these 16p11.2 copy-number variants indicates that severe obesity and being underweight could have mirror aetiologies, possibly through contrasting effects on energy balance.

Ten to fifteen percent of couples are confronted with infertility and a male factor is involved in approximately half the cases. A genetic etiology is likely in most cases yet only few genes have been formally correlated with male infertility. Homozygosity mapping was carried out on a cohort of 20 North African individuals, including 18 index cases, presenting with primary infertility resulting from impaired sperm motility caused by a mosaic of multiple morphological abnormalities of the flagella (MMAF) including absent, short, coiled, bent, and irregular flagella. Five unrelated subjects out of 18 (28%) carried a homozygous variant in DNAH1, which encodes an inner dynein heavy chain and is expressed in testis. RT-PCR, immunostaining, and electronic microscopy were carried out on samples from one of the subjects with a mutation located on a donor splice site. Neither the transcript nor the protein was observed in this individual, confirming the pathogenicity of this variant. A general axonemal disorganization including mislocalization of the microtubule doublets and loss of the inner dynein arms was observed. Although DNAH1 is also expressed in other ciliated cells, infertility was the only symptom of primary ciliary dyskinesia observed in affected subjects, suggesting that DNAH1 function in cilium is not as critical as in sperm flagellum.

Spermatogenesis defects concern millions of men worldwide, yet the vast majority remains undiagnosed. Here we report men with primary infertility due to multiple morphological abnormalities of the sperm flagella with severe disorganization of the sperm axoneme, a microtubule-based structure highly conserved throughout evolution. Whole-exome sequencing was performed on 78 patients allowing the identification of 22 men with bi-allelic mutations in DNAH1 (n = 6), CFAP43 (n = 10), and CFAP44 (n = 6). CRISPR/Cas9 created homozygous CFAP43/44 male mice that were infertile and presented severe flagellar defects confirming the human genetic results. Immunoelectron and stimulated-emission-depletion microscopy performed on CFAP43 and CFAP44 orthologs in Trypanosoma brucei evidenced that both proteins are located between the doublet microtubules 5 and 6 and the paraflagellar rod. Overall, we demonstrate that CFAP43 and CFAP44 have a similar structure with a unique axonemal localization and are necessary to produce functional flagella in species ranging from Trypanosoma to human.

Abstract Defects in the structure or motility of cilia and flagella may lead to severe diseases such as primary ciliary dyskinesia (PCD), a multisystemic disorder with heterogeneous manifestations affecting primarily respiratory and reproductive functions. We report that CFAP61 is a conserved component of the Calmodulin and radial Spoke associated Complex (CSC) of cilia. We find that a CFAP61 splice variant, c.143+5G>A, causes exon skipping in human, inducing a multiple morphological abnormalities of the flagella (MMAF) phenotype. We generated Cfap61 knockout mice that recapitulate the infertility phenotype of the human CFAP61 mutation, but without other symptoms usually observed in PCD. We find that CFAP61 interacts with the CSC, radial spoke stalk and RS head. During early stages of Cfap61 −/− spermatid development, the assembly of RS components is impaired. With the progress of spermiogenesis, the axoneme in Cfap61 −/− cells becomes unstable and scatters, and the distribution of intraflagellar transport proteins is disrupted. This study reveals an organ specific mechanism of axoneme stabilization that is related to male infertility.

Abstract Genetic mutations are a recurrent cause of male infertility. Multiple morphological abnormalities of the flagellum (MMAF) syndrome is a heterogeneous genetic disease, with which more than 50 genes have been linked. Nevertheless, for 50% of patients with this condition, no genetic cause is identified. From a study of a cohort of 167 MMAF patients, pathogenic bi-allelic mutations were identified in the CCDC146 gene in two patients. This gene encodes a poorly characterized centrosomal protein which we studied in detail here. First, protein localization was studied in two cell lines. We confirmed the centrosomal localization in somatic cells and showed that the protein also presents multiple microtubule-related localizations during mitotic division, suggesting that it is a microtubule-associated protein (MAP). To better understand the function of the protein at the sperm level, and the molecular pathogenesis of infertility associated with CCDC146 mutations, two genetically modified mouse models were created: a Ccdc146 knock-out (KO) and a knock-in (KI) expressing a HA-tagged CCDC146 protein. KO male mice were completely infertile, and sperm exhibited a phenotype identical to our two MMAF patient’s phenotype with CCDC146 mutations. No other pathology was observed, and the animals were viable. CCDC146 expression starts during late spermiogenesis, at the time of flagellum biogenesis. In the spermatozoon, the protein is conserved but is not localized to centrioles, unlike in somatic cells, rather it is present in the axoneme at the level of microtubule doublets. Expansion microscopy associated with the use of the detergent sarkosyl to solubilize microtubule doublets, suggest that the protein may be a microtubule inner protein (MIP). At the subcellular level, the absence of CCDC146 affected the formation, localization and morphology of all microtubule-based organelles such as the manchette, the head–tail coupling apparatus (HTCA), and the axoneme. Through this study, we have characterized a new genetic cause of infertility, identified a new factor in the formation and/or structure of the sperm axoneme, and demonstrated that the CCDC146 protein plays several cellular roles, depending on the cell type and the stages in the cell cycle.

For patients with hereditary breast and ovarian cancer, the probability of carrying two pathogenic variants (PVs) in dominant cancer-predisposing genes is rare. Using targeted next-generation sequencing (NGS), we investigated a 49-year-old Caucasian woman who developed a highly aggressive breast tumor. Our analyses identified an intragenic germline heterozygous duplication in BRCA1 with an additional likely PV in the TP53 gene. The BRCA1 variant was confirmed by multiplex ligation probe amplification (MLPA), and genomic breakpoints were characterized at the nucleotide level (c.135-2578_442-1104dup). mRNA extracted from lymphocytes was amplified by RT-PCR and then Sanger sequenced, revealing a tandem duplication r.135_441dup; p.(Gln148Ilefs*20). This duplication results in the synthesis of a truncated and, most likely, nonfunctional protein. Following functional studies, the TP53 exon 5 c.472C > T; p.(Arg158Cys) missense variant was classified as likely pathogenic by the Li-Fraumeni Syndrome (LFS) working group. This type of unexpected association will be increasingly identified in the future, with the switch from targeted BRCA sequencing to hereditary breast and ovarian cancer (HBOC) panel sequencing, raising the question of how these patients should be managed. It is therefore important to record and investigate these rare double-heterozygous genotypes.

ABSTRACT Male infertility is common and complex, presenting a wide range of heterogeneous phenotypes. Although about 50% of cases are estimated to have a genetic component, the underlying cause often remains undetermined. Here, from whole-exome sequencing on samples from 168 infertile men with asthenoteratozoospermia due to severe sperm flagellum, we identified homozygous ZMYND12 variants in four unrelated patients. In sperm cells from these individuals, immunofluorescence revealed altered localization of DNAH1, DNALI1, WDR66 and TTC29. Axonemal localization of ZMYND12 ortholog TbTAX-1 was confirmed using the Trypanosoma brucei model. RNAi knock-down of TbTAX-1 dramatically affected flagellar motility, with a phenotype similar to the sperm from men bearing homozygous ZMYND12 variants. Co-immunoprecipitation and ultrastructure expansion microscopy in T. brucei revealed TbTAX-1 to form a complex with TTC29. Comparative proteomics with samples from Trypanosoma and Ttc29 KO mice identified a third member of this complex: DNAH1. The data presented revealed that ZMYND12 is part of the same axonemal complex as TTC29 and DNAH1, which is critical for flagellum function and assembly in humans, and Trypanosoma. ZMYND12 is thus a new asthenoteratozoospermia-associated gene, bi-allelic variants of which cause severe flagellum malformations and primary male infertility.

Abstract Background Small RNAs interacting with PIWI (piRNAs) play a crucial role in regulating transposable elements and translation during spermatogenesis and are essential in male germ cell development. Disruptions in the piRNA pathway typically lead to severe spermatogenic defects and thus male infertility. The HENMT1 gene is a key player in piRNAs primary biogenesis and dysfunction of HENMT1 protein in meiotic and haploid germ cells resulted in the loss of piRNA methylation, piRNA instability, and TE de‐repression. Henmt1‐knockout mice exhibit a severe oligo‐astheno‐teratozoospermia (OAT) phenotype, whereas patients with HENMT1 variants display more severe azoospermia phenotypes, ranging from meiotic arrest to hypospermatogenesis. Through whole‐exome sequencing (WES) of infertile patient cohorts, we identified two new patients with variants in the HENMT1 gene presenting spermatozoa in their ejcaulate, providing us the opportunity to study spermatozoa from these patients. Objectives Investigate the spermatozoa of two patients harboring an HENMT1 variant to determine whether or not these scarce spermatozoa could be used with assisted reproductive technologies. Materials and methods HENMT1 variants identified by WES were validated through Sanger sequencing. Comprehensive semen analysis was conducted, and sperm cells were subjected to transmission electron microscopy for structural examination, in situ hybridization for aneuploidy assessment, and aniline blue staining for DNA compaction status. Subsequently, we assessed their suitability for in vitro fertilization using intracytoplasmic sperm injection (IVF‐ICSI). Results Our investigations revealed a severe OAT phenotype similar to knockout mice, revealing altered sperm concentration, mobility, morphology, aneuploidy and nuclear compaction defects. Multiple IVF‐ICSI attempts were also performed, but no live births were achieved. Discussion We confirm the crucial role of HENMT1 in spermatogenesis and highlight a phenotypic continuum associated with HENMT1 variants. Unfortunately, the clinical outcome of these genetic predispositions remains unfavorable, regardless of the patient's phenotype. Conclusion The presence of spermatozoa is insufficient to anticipate ICSI pregnancy success in HENMT1 patients.

Phelan-McDermid syndrome (PMS) is characterized by a variety of clinical symptoms with heterogeneous degrees of severity, including intellectual disability, speech impairment, and autism spectrum disorders (ASD). It results from a deletion of the 22q13 locus that in most cases includes the SHANK3 gene. SHANK3 is considered a major gene for PMS, but the factors modulating the severity of the syndrome remain largely unknown. In this study, we investigated 85 PMS patients with different 22q13 rearrangements (78 deletions, 7 duplications). We first explored their clinical features and provide evidence for frequent corpus callosum abnormalities. We then mapped candidate genomic regions at the 22q13 locus associated with risk of clinical features, and suggest a second locus associated with absence of speech. Finally, in some cases, we identified additional rearrangements at loci associated with ASD, potentially modulating the severity of the syndrome. We also report the first SHANK3 deletion transmitted to five affected daughters by a mother without intellectual disability nor ASD, suggesting that some individuals could compensate for such mutations. In summary, we shed light on the genotype-phenotype relationship of PMS, a step towards the identification of compensatory mechanisms for a better prognosis and possibly treatments of patients with neurodevelopmental disorders.

Oligo-astheno-teratozoospermia (OAT), a recurent cause of male infertility, is the most frequent disorder of spermatogenesis with a probable genetic cause. Patients and mice bearing mutations in the ARMC2 gene have a decreased sperm concentration, and individual sperm show multiple morphological defects and a lack of motility – a canonical OAT phenotype. Intra Cellular Sperm Injection (ICSI) is required to treat such a condition but it has limited efficacy and was associated with a small increase in birth defects. Consequently, new targeted treatments are needed to restore spermatogenesis. Here, a combination of in vivo injection and electroporation of capped and poly-A-tailed naked mRNA is tested as a strategy to treat ARMC2-related infertility in mouse. mRNAs coding for several reporter genes are tested and the efficiency and the kinetic of expression are assessed using in vivo and in vitro 2D and 3D imaging experiments. We show that mRNA-coded reporter proteins are detected for up to 3 weeks mostly in germ cells, making the use of mRNA possible to treat infertility. We compare these results with those obtained with a more conventional DNA plasmid vector. In contrast, the use of the non-integrative plasmid Enhanced Episomal Vector (EEV) shows low and transient expression in spermatogenic cells. Consequently, injection and electroporation of naked mRNA-Armc2 into the testes of Armc2-deficient males were performed and we show the presence of normal and motile sperm in the epididymis. This study shows for the first time that mRNA-Armc2 efficiently restores spermatogenesis and opens new paths for male infertility treatment.