ABSTRACT Down syndrome (DS) is one of the most common birth defects and the most prevalent genetic form of intellectual disability. DS arises from trisomy of chromosome 21, but its molecular and pathological consequences are not fully understood. In this study, we compared Dp1Tyb mice, a DS model, against their wild-type (WT) littermates of both sexes to investigate the impact of DS-related genetic abnormalities on the brain phenotype. We performed in vivo whole brain magnetic resonance imaging (MRI) and hippocampal 1 H magnetic resonance spectroscopy (MRS) on the animals at 3 months of age. Subsequently, ex vivo MRI scans and histological analyses were conducted post-mortem. Our findings unveiled distinct neuroanatomical and biochemical alterations in the Dp1Tyb brains. Dp1Tyb brains exhibited a smaller surface area and a rounder shape compared to WT brains. Regional volumetric analysis revealed significant changes in 26 out of 72 examined brain regions, including the medial prefrontal cortex and dorsal hippocampus. These alterations were consistently observed in both in vivo and ex vivo imaging data. Additionally, high-resolution ex vivo imaging enabled us to investigate cerebellar layers and hippocampal subregions, revealing selective areas of decrease and remodelling in these structures. An analysis of hippocampal metabolites revealed an elevation in glutamine and the glutamine/glutamate ratio in the Dp1Tyb mice compared to controls, suggesting a possible imbalance in the excitation/inhibition ratio. This was accompanied by the decreased levels of taurine. Histological analysis revealed fewer neurons in the hippocampal CA3 and DG layers, along with an increase in astrocytes and microglia. These findings recapitulate multiple neuroanatomical and biochemical features associated with DS, enriching our understanding of the potential connection between chromosome 21 trisomy and the resultant phenotype.

Down syndrome (DS), trisomy 21, is a gene dosage disorder which results in multiple phenotypes including congenital heart defects (CHD). This clinically important pathology is caused by a third copy of one or more of the ~230 genes on human chromosome 21 (Hsa21), but the identity of the causative dosage-sensitive genes is unknown and hence pathological mechanisms remain obscure. We show that embryonic hearts from human fetuses with DS and mouse models of DS have reduced expression of mitochondrial respiration and cell proliferation genes correlating with CHD. Using systematic genetic mapping, we determine that three copies of the Dyrk1a gene, encoding a serine/threonine protein kinase, are required to cause CHD. Reducing Dyrk1a copy number from three to two reverses defects in proliferation and mitochondrial respiration in embryonic cardiomyocytes and rescues septation defects in DS hearts. Furthermore, treatment of pregnant mice with a DYRK1A inhibitor developed for clinical use partially reduces the incidence of CHD among Dp1Tyb embryos. Thus, increased dosage of DYRK1A is required to impair mitochondrial function and cause CHD in DS, revealing a therapeutic target for this common human condition.

Abstract Down syndrome (DS), trisomy of human chromosome 21 (Hsa21), occurs in 1 in 800 live births and is the most common human aneuploidy. DS results in multiple phenotypes, including craniofacial dysmorphology, characterised by midfacial hypoplasia, brachycephaly and micrognathia. The genetic and developmental causes of this are poorly understood. Using morphometric analysis of the Dp1Tyb mouse model of DS and an associated genetic mouse genetic mapping panel, we demonstrate that four Hsa21-orthologous regions of mouse chromosome 16 contain dosage-sensitive genes that cause the DS craniofacial phenotype, and identify one of these causative genes as Dyrk1a . We show that the earliest and most severe defects in Dp1Tyb skulls are in bones of neural crest (NC) origin, and that mineralisation of the Dp1Tyb skull base synchondroses is aberrant. Furthermore, we show that increased dosage of Dyrk1a results in decreased NC cell proliferation and a decrease in size and cellularity of the NC-derived frontal bone primordia. Thus, DS craniofacial dysmorphology is caused by increased dosage of Dyrk1a and at least three other genes. Summary statement Craniofacial dysmorphology in mouse models of Down syndrome is caused by increased dosage of at least four genes including Dyrk1a , resulting in reduced proliferation of neural crest-derived cranial bone progenitors.

Abstract Down syndrome (DS), trisomy 21, results in many complex phenotypes including cognitive deficits, heart defects and craniofacial alterations. Phenotypes arise from an extra copy of human chromosome 21 (Hsa21) genes. However, causative genes remain mostly unknown. Animal models enable identification of these genes and pathological mechanisms. The Dp1Tyb mouse model of DS has an extra copy of 63% of Hsa21-orthologous mouse genes. Here, we comprehensively phenotype Dp1Tyb mice and find wide-ranging DS-like phenotypes including aberrant megakaryopoiesis, reduced bone density, and deficits in memory, locomotion, hearing and sleep. Thus, Dp1Tyb mice are an excellent model for studies of many complex DS phenotypes.