Chromosome 21 is the smallest human autosome. An extra copy of chromosome 21 causes Down syndrome, the most frequent genetic cause of significant mental retardation, which affects up to 1 in 700 live births. Several anonymous loci for monogenic disorders and predispositions for common complex disorders have also been mapped to this chromosome, and loss of heterozygosity has been observed in regions associated with solid tumours. Here we report the sequence and gene catalogue of the long arm of chromosome 21. We have sequenced 33,546,361 base pairs (bp) of DNA with very high accuracy, the largest contig being 25,491,867 bp. Only three small clone gaps and seven sequencing gaps remain, comprising about 100 kilobases. Thus, we achieved 99.7% coverage of 21q. We also sequenced 281,116 bp from the short arm. The structural features identified include duplications that are probably involved in chromosomal abnormalities and repeat structures in the telomeric and pericentromeric regions. Analysis of the chromosome revealed 127 known genes, 98 predicted genes and 59 pseudogenes.

Aneuploidies are common chromosomal defects that result in growth and developmental deficits and high levels of lethality in humans. To gain insight into the biology of aneuploidies, we manipulated mouse embryonic stem cells and generated a trans-species aneuploid mouse line that stably transmits a freely segregating, almost complete human chromosome 21 (Hsa21). This â€œtranschromosomic” mouse line, Tc1, is a model of trisomy 21, which manifests as Down syndrome (DS) in humans, and has phenotypic alterations in behavior, synaptic plasticity, cerebellar neuronal number, heart development, and mandible size that relate to human DS. Transchromosomic mouse lines such as Tc1 may represent useful genetic tools for dissecting other human aneuploidies.

INTRODUCTION: Down syndrome (DS) may be considered a genetic form of Alzheimer's disease (AD) due to universal development of AD neuropathology, but diagnosis and treatment trials are hampered by a lack of reliable blood biomarkers. A potential biomarker is neurofilament light (NF-L), due to its association with axonal damage in neurodegenerative conditions. METHODS: We measured blood NF-L concentration in 100 adults with DS using Simoa NF-light assays, and examined relationships with age, and cross-sectional and longitudinal dementia diagnosis. RESULTS: NF-L levels increased with age (Spearman's rho = 0.789, p<0.001), with a steep increase after age 40, and were predictive of dementia status (p=0.022 adjusting for age, sex, and APOE4) but showed no relationship with longstanding epilepsy or premorbid ability. Baseline NF-L levels were associated with longitudinal dementia status. DISCUSSION: NF-L is a biomarker for neurodegeneration in DS, with potential for use in future clinical trials to prevent or delay dementia.

ABSTRACT Down syndrome (DS) is a genetic condition caused by trisomy 21 (T21) and characterized by a range of neurological symptoms including intellectual disability, early onset of neurodegeneration and dementia, some of which can be attributed to accelerated aging. N-glycosylation is a protein modification that plays a critical role in numerous biological processes and its dysregulation is associated with a wide range of diseases, in some even before the onset of symptoms. N-glycosylation of total plasma proteins, as well as specific plasma proteins, such as immunoglobulin G, has been shown to change in DS, displaying an accelerated aging phenotype consistent with the various symptoms of premature aging that occur in DS. However, little is known about how T21 affects the N-glycosylation of other cellular proteins. To better understand how T21 affects N-glycosylation during neural differentiation, we characterized and compared the total released N-glycans of induced pluripotent stem cells (iPSCs) and their neural stem cell (NSC) derivatives. We analyzed six different isogenic clones all derived from a single individual with mosaic DS and thus all sharing the same genetic background; however, three had a normal disomic karyotype (D21), while the other three had an additional copy of chromosome 21 (T21). We characterized the total cell N-glycosylation profiles using ultra high performance liquid chromatography (UHPLC) and subsequent tandem mass spectrometry analysis to determine proposed glycan structures. Our results revealed both qualitative and quantitative differences in the composition of N-glycomes between iPSCs and NSCs, with NSCs showing a higher amount of complex N-glycans and a lower amount of mannosidic N-glycans when compared to iPSCs. Moreover, we found differences in N-glycosylation patterns between D21 and T21 cells. Notably, T21 cells exhibited a significant increase in the amount of pseudohybrid N-glycans. Trisomy 21 also caused a significant decrease in the abundance of a hybrid monoantennary fucosylated glycan (H6N3F1). Our findings define the released N-glycan profile of total cells for both D21 and T21 iPSCs and NSCs and suggest that the presence of a third copy of chromosome 21 impacts N-glycosylation patterns already in the stem cell state.

Background: Down syndrome acute lymphoblastic leukemia (DS‐ALL) is characterized by the high frequency of CRLF2‐rearrangements, JAK2-mutations, or RAS-pathway mutations. Intriguingly, JAK2 and RAS mutations are mutually exclusive in leukemic sub‐clones, causing dichotomy in therapeutic target choices. Results: Here we show that in primary leukemic cells from DS‐ALL, in the absence of RAS-mutations, wild-type (wt)RAS is active, and/or can be induced by the physiological ligand TSLP of the transmembrane-receptor CRLF2. We show active/inducible RAS in 14/20 (70%) of primary DS-ALL samples analyzed, 8 of which had no RAS-mutations, but 75% of those had either mutated or hyperphosphorylated JAK2. No wtRAS cases with mutated/hyperphosphorylated JAK2 were observed that lacked activated RAS protein. We prove in a cell model that elevated CRLF2 in combination with constitutionally active JAK2 is sufficient to activate wtRAS. We show that TSLP boosts the direct binding of active PTPN11 to wtRAS. Pre‐inhibition of RAS or PTPN11, but not of PI3K or JAK signaling, prevented TSLP‐induced RAS‐GTP boost. Using multivariate-clustering based on RAS‐activity/inducibility we show significant separation between standard‐risk and high‐risk DS‐ALL groups. Cox proportional-hazards model showed protein-activity (but not mutation status) as independently predictive of outcome. Conclusions: Our data indicate that RAS protein activity levels (and not JAK2/RAS mutation profiles), are predictive of outcome. Importantly, our data suggest that inhibition of RAS and direct RAS‐pathway components should be combined with PI3K/mTOR and/or JAK2 inhibitors for high-risk cases. Therapeutically this is relevant for >75% of DS‐ALL and our additional data suggest that it warrants further investigation in high-risk non‐DS-ALL.

A population of >6 million people worldwide at high risk of Alzheimer's disease (AD) are those with Down Syndrome (DS, caused by trisomy 21 (T21)), 70% of whom develop dementia during lifetime, caused by an extra copy of β-amyloid-(Aβ)-precursor-protein gene. We report AD-like pathology in cerebral organoids grown in vitro from non-invasively sampled strands of hair from 71% of DS donors. The pathology consisted of extracellular diffuse and fibrillar Aβ deposits, hyperphosphorylated/pathologically conformed Tau, and premature neuronal loss. Presence/absence of AD-like pathology was donor-specific (reproducible between individual organoids/iPSC lines/experiments). Pathology could be triggered in pathology-negative T21 organoids by CRISPR/Cas9-mediated elimination of the third copy of chromosome-21-gene BACE2, but prevented by combined chemical β and γ-secretase inhibition. We found that T21-organoids secrete increased proportions of Aβ-preventing (Aβ1-19) and Aβ degradation products (Aβ1-20 and Aβ1-34). We show these profiles mirror in cerebrospinal fluid of people with DS. We demonstrate that this protective mechanism is mediated by BACE2-trisomy and cross-inhibited by clinically trialled BACE1-inhibitors. Combined, our data prove the physiological role of BACE2 as a dose-sensitive AD-suppressor gene, potentially explaining the dementia delay in ~30% of people with DS. We also show that DS cerebral organoids could be explored as pre-morbid AD-risk population detector and a system for hypothesis-free drug screens as well as identification of natural suppressor genes for neurodegenerative diseases.

Abstract GABABRs are key membrane proteins that continually adapt the excitability of the nervous system. These G-protein coupled receptors are activated by the brain’s premier inhibitory neurotransmitter GABA. They are obligate heterodimers composed of GABA-binding GABABR1 and G-protein-coupling GABABR2 subunits. Recently, three variants (G693W, S695I, I705N) have been identified in the gene (GABBR2) encoding for GABABR2. Individuals that harbour any of these variants exhibit severe developmental epileptic encephalopathy and intellectual disability, but the underlying pathogenesis that is triggered in neurons, remains unresolved. Using a range of confocal imaging, flow cytometry, structural modelling, biochemistry, live cell Ca2+ imaging of presynaptic terminals, whole-cell electrophysiology of HEK-293T cells and neurons, and two-electrode voltage clamping of Xenopus oocytes we have probed the biophysical and molecular trafficking and functional profiles of G693W, S695I and I705N variants. We report that all three point mutations impair neuronal cell surface expression of GABABRs, reducing signalling efficacy. However, a negative effect evident for one variant perturbed neurotransmission by elevating presynaptic Ca2+ signalling. This is reversed by enhancing GABABR signalling via positive allosteric modulation. Our results highlight the importance of studying neuronal receptors expressed in nervous system tissue and provide new mechanistic insights into how GABABR variants can initiate neurodevelopmental disease whilst highlighting the translational suitability and therapeutic potential of allosteric modulation for correcting these deficits.