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

 We report that the many Eph-related receptor tyrosine kinases, and their numerous membrane-bound ligands, can each be grouped into only two major specificity subclasses. Receptors in a given subclass bind most members of a corresponding ligand subclass. The physiological relevance of these groupings is suggested by viewing the collective distributions of all members of a subclass. These composite distributions, in contrast with less informative patterns seen with individual members of the family, reveal that the developing embryo is subdivided into domains defined by reciprocal and apparently mutually exclusive expression of a receptor subclass and its corresponding ligands. Receptors seem to encounter their ligands only at the interface between these domains. This reciprocal compartmentalization implicates the Eph family in the formation of spatial boundaries that may help to organize the developing body plan.

Schizophrenia is a complex psychiatric disorder with genetic and phenotypic heterogeneity. Accumulating rare and genome-wide association study (GWAS) common risk variant information has yet to yield robust mechanistic insight. Leveraging large-scale gene deletion mouse phenomic data thus has potential to functionally interrogate and prioritize human disease genes. To this end, we applied a cross-species network-based approach to parse an extensive mouse gene set (188 genes) associated with disrupted prepulse inhibition (PPI), a Schizophrenia endophenotype. Integrating PPI genes with high-resolution mouse and human brain transcriptomic data, we identified functional and disease coherent co-expression modules through hierarchical clustering and weighted gene co-expression network analysis (WGCNA). In two modules, Schizophrenia risk and mouse PPI genes converged based on telencephalic patterning. The associated neuronal genes were highly expressed in cingulate cortex- and hippocampus; implicated in synaptic function and neurotransmission and overlapped with the greatest proportion of rare variants. Concordant neuroanatomical patterning revealed novel core Schizophrenia-relevant genes consistent with the Omnigenic hypothesis of complex traits. Among other genes discussed, the developmental and post-synaptic scaffold TANC2 (Tetratricopeptide repeat, ankyrin repeat and coiled-coil containing 2) emerged from both networks as a novel core genetic driver of Schizophrenia altering PPI. Aspects of psychiatric disease comorbidity and phenotypic heterogeneity are also explored. Overall, this study provides a framework and galvanizes the value of mouse preclinical genetics and PPI to prioritize both existing and novel human Schizophrenia candidate genes as druggable targets.

Although genomic sequencing has been transformative in the study of rare genetic diseases, identifying causal variants remains a considerable challenge that can be addressed in part by new gene-specific knowledge. Here, we integrate measures of how essential a gene is to supporting life, as inferred from the comprehensive viability and phenotyping screens performed on knockout mice by the International Mouse Phenotyping Consortium and from human cell line essentiality screens. We propose a novel, cross-species gene classification across the Full Spectrum of Intolerance to Loss-of-function (FUSIL) and demonstrate that genes in five mutually exclusive FUSIL categories have differing characteristics in the biological processes they regulate, tissue expression levels and human mutation rates. Most notably, Mendelian disease genes, particularly those associated with developmental disorders, are highly overrepresented in the developmental lethal category, representing genes not essential for cell survival but required for organism development. Exploiting this finding, we have screened developmental disorder cases from three independent disease sequencing consortia and identified potentially pathogenic, de novo variants shared in different patients for several developmental lethal genes that have not previously been associated with rare disease. We therefore propose FUSIL as an efficient resource for disease gene discovery.

High-throughput phenomic projects typically generate complex data from small treatment and large control groups. These control groups increase the power of the analyses but introduce variation over time. A method is needed to locally select controls that maximise the analytic power while minimising the noise level from unspecified environmental factors. Here we introduce "soft windowing", a methodological approach that selects a window of time to accommodates the most appropriate controls for analysis. Using phenotype data from the International Mouse Phenotyping Consortium (IMPC), adaptive windows are applied so that control data collected locally to mutants are assigned the maximal weight, while data collected earlier or later has less weight. We apply this method to IMPC data and compare the results with those obtained by applying a standard non-windowed approach. Following a resampling approach in which samples of equal size and structure to that of mutants are drawn from control data, we demonstrate a 10% reduction of false positives from 2.5 million analyses. Further, we applied the method as part of the IMPC statistical pipeline that seeks to establish gene-phenotype associations by comparing mutants vs control data. We report an increase of 30% in the total significant p-values, as well as 106 vs 99 disease models with the soft-windowed and non-windowed approaches, respectively, from a set of 2,082 mutant mouse lines. Our method is generalisable and can benefit other large-scale phenomic projects such as the UK Biobank and the All of Us resources.

Dislocation in hindlimb tarsals are being observed at a low, but persistent frequency in adult male mice from C57BL/6N substrains. Clinical signs included a sudden onset of mild to severe unilateral or bilateral tarsal abduction, swelling, abnormal hindlimb morphology and lameness. Contraction of digits and gait abnormalities were noted in multiple cases. Radiographical and histological examination revealed caudal dislocation of the calcaneus and partial dislocation of the calcaneoquartal (calcaneous-tarsal bone IV) joint. The detection, frequency, and cause of this pathology in five large mouse production and phenotyping centres (MRC Harwell, UK; The Jackson Laboratory, USA; The Centre for Phenogenomics, Canada; German Mouse Clinic, Germany; Baylor College of Medicine, USA) are discussed.