Abstract Numerous rare de novo variants that cause neurodevelopmental disorders (NDDs) occur within genes encoding synaptic proteins, including ionotropic glutamate receptors (iGluRs). However, in many cases it remains unclear how damaging missense variants affect brain function. Here we determined the physiological consequences of an NDD causing missense mutation in the GRIK2 kainate receptor (KAR) gene, that results in a single amino acid change p.Ala657Thr in the GluK2 receptor subunit. We engineered the equivalent mutation in the mouse Grik2 gene, yielding a GluK2(A657T) mouse, to better understand the human disorder and determine how hippocampal neuronal function is disrupted. Synaptic KAR currents in hippocampal CA3 pyramidal neurons from heterozygous A657T mice exhibited slow decay kinetics, consistent with incorporation of the mutant subunit into functional receptors. Unexpectedly, CA3 neurons demonstrated elevated action potential spiking due to down-regulation of the small conductance Ca 2+ activated K + channel (SK), which mediates the post-spike afterhyperpolarization (AHP). The reduction in SK activity resulted in increased CA3 dendritic excitability, increased EPSP-spike coupling and lowered the threshold for the induction of LTP of the associational commissural (AC) synapses in the distal dendrites of CA3 neurons. Pharmacological inhibition of SK channels in wild-type (WT) mice increased dendritic excitability and EPSP-spike coupling, mimicking the phenotype in A657T mice and suggesting a causative role for attenuated SK activity in aberrant excitability observed in the mutant mice. These findings demonstrate that a disease-associated missense mutation in GRIK2 leads to altered signaling through neuronal KARs, pleiotropic effects on neuronal and dendritic excitability, and implicate these processes in neuropathology in patients with genetic NDDs.

Abstract Striatal spiny-projection neurons (SPNs) integrate glutamatergic inputs from the motor cortex and thalamus with neuromodulatory signals to regulate motor output. In vivo Ca 2+ imaging has demonstrated that ensembles of direct and indirect pathway SPNs (dSPNs, iSPNs) are coactive during spontaneous movement. Co-activity is statistically greater among nearby neurons, correlates with behavioral state, and undergoes plasticity in an SPN-type-specific manner under pathological conditions. This spatially clustered co-activity could reflect shared excitatory inputs. However, whether and how synaptic mechanisms generate this distinctive spatiotemporal activity is unknown. Here, we show that the Group I metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5), which regulates synaptic strength at corticostriatal synapses, is a key mediator of spatially clustered SPN co-activity. Pharmacological modulation of mGluR5 signaling bidirectionally altered movement and spatially clustered dynamics, but not the absolute level of activity of dSPNs. Targeted deletion of mGluR5 in dSPNs recapitulated the effects on spatiotemporal neural dynamics and movement demonstrating a striatum-specific effect of mGluR5. Targeted deletion of mGluR5 also produced changes in the synaptic properties of dSPNs. These results show that properties of excitatory synapses influence motor function by shaping the characteristic spatially clustered patterns of co-activity that typify dSPN activation in vivo .

Pathogenic variants in epilepsy genes result in a spectrum of clinical presentation, ranging from benign phenotypes to intractable epilepsies with significant co-morbidities and increased risk of sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP). One source of this phenotypic heterogeneity is modifier genes that affect penetrance, dominance or expressivity of a primary pathogenic variant. Mouse models of epilepsy also display varying degrees of clinical severity on different genetic backgrounds. Mice with heterozygous deletion of Scn1a ( Scn1a+/- ) model Dravet syndrome, a severe epilepsy most often caused by SCN1A haploinsufficiency. Scn1a+/- heterozygous mice recapitulate key features of Dravet syndrome, including febrile and afebrile spontaneous seizures, SUDEP, and cognitive and behavioral deficits. The Scn1a+/- mouse model also exhibits strain-dependent phenotype severity. Scn1a+/- mice maintained on the 129S6/SvEvTac (129) strain have normal lifespan and no overt seizures. In contrast, admixture with C57BL/6J (B6) results in severe epilepsy and premature lethality in [B6x129]F1. Scn1a+/- mice. In previous work, we identified Dravet Survival Modifier loci ( Dsm1 - Dsm5 ) responsible for strain-dependent differences in survival. Gabra2 , encoding the GABAA α2 subunit, was nominated as the top candidate modifier at the Dsm1 locus on chromosome 5. Direct measurement of GABAA receptors found lower abundance of α2-containing receptors in hippocampal synapses of B6 mice relative to 129. We also identified a B6-specific single nucleotide intronic deletion within Gabra2 that lowers mRNA and protein by nearly 50%. Repair of this de novo deletion reestablished normal levels of Gabra2 transcript and protein expression. In the current study, we used B6 mice with the repaired Gabra2 allele to validate it as a modifier of phenotype severity in Scn1a+/- mice. Repair of Gabra2 restored transcript and protein expression, increased abundance of α2-containing GABAA receptors in hippocampal synapses, and improved seizure and survival phenotypes of Scn1a+/- mice. These findings validate Gabra2 as a genetic modifier of Dravet syndrome.### Competing Interest StatementThe authors of this manuscript have the following competing interests: J.A.K. serves as a consultant to Encoded Genomics, Praxis Precision Medicines and NeuroCycle Therapeutics, and serves on the Scientific Advisory Board of the Dravet Syndrome Foundation. N.A.H. serves as a consultant to NeuroCycle Therapeutics. All other authors have declared that no competing interests exist.

GABAA receptor potentiators are commonly used for the treatment of epilepsy, but it is not clear whether distinct GABAA receptor subtypes contribute to seizure activity, and whether targeting receptor subtypes will have disproportionate benefit over adverse effects. Here we demonstrate that the α2 / α3 selective positive allosteric modulator (PAM) AZD7325 preferentially potentiates hippocampal inhibitory responses at synapses proximal to the soma of CA1 neurons. The effect of AZD7325 on synaptic responses was more prominent in mice on the 129S6/SvEvTac background strain that has been demonstrated to be seizure resistant in the model of Dravet syndrome (Scn1a+/-) and in which the α2 GABAA receptor subunits are higher relative to in the C57BL/6J strain. Consistent with this, treatment of mice with AZD7325 is associated with a higher temperature threshold for hyperthermia-induced seizures in Scn1a+/- mice without apparent sedative effects. Our results in a model system indicate that selective targeting α2 is a potential therapeutic option for Dravet syndrome.

Lissencephaly is a rare brain malformation characterized by abnormal neuronal migration during cortical development. In this study, we performed a comprehensive genetic analysis using next-generation sequencing in 12 unsolved Japanese lissencephaly patients, in whom PAFAH1B1, DCX, TUBA1A, and ARX variants were excluded using the Sanger method. Exome sequencing (ES) was conducted on these 12 patients, identifying pathogenic variants in CEP85L, DYNC1H1, LAMC3, and DCX in four patients. Next, we performed genome sequencing (GS) on eight unsolved patients, and structural variants in PAFAH1B1, including an inversion and microdeletions involving several exons, were detected in three patients. Notably, these microdeletions in PAFAH1B1 could not to be detected by copy number variation (CNV) detection tools based on the depth of coverage methods using ES data. The density of repeat sequences, including Alu sequences or segmental duplications, which increase the susceptibility to structural variations, is very high in some lissencephaly spectrum genes (PAFAH1B1, TUBA1A, DYNC1H1). These missing CNVs were due to the limitations of detecting repeat sequences in ES-based CNV detection tools. Our study suggests that a combined approach integrating ES with GS can contribute to a higher diagnostic yield and a better understanding of the genetic landscape of the lissencephaly spectrum.