Abstract In recent years, transition metal‐catalyzed direct (hetero)arylation reactions of heteroarenes with (hetero)aryl halides and pseudohalides have received significant attention as eco‐friendly and economic alternatives to classical methods for the construction of heteroaryl‐(hetero)aryl CC bonds by transition metal‐catalyzed cross‐couplings involving the use of stoichiometric amounts of organometallic reagents. This critical review with 430 references covers the results obtained in the period January 2009 to February 2013 in the area of the transition metal‐catalyzed direct inter‐ and intramolecular (hetero)arylation reactions of heteroarenes containing one heteroatom. Particular attention has been given to illustrate chemo‐ and site selectivity aspects of these reactions as well applications of these CC bond forming reactions in the synthesis of pharmaceutically relevant compounds, natural products and their analogues and precursors. The most recent advancements into the mechanism(s) of these reactions have also been briefly reported. magnified image

ABSTRACT Measurement of broad types of proteins from a small number of cells to single cells would help to better understand the nervous system but requires significant leaps in high-resolution mass spectrometry (HRMS) sensitivity. Microanalytical capillary electrophoresis electrospray ionization (μCE-ESI) offers a path to ultrasensitive proteomics by integrating scalability with sensitivity. We report here a data acquisition strategy that expands the detectable and quantifiable proteome in trace amounts of digests using μCE-ESI-HRMS. Data-dependent acquisition (DDA) was programmed to progressively exclude high-intensity peptide signals during repeated measurements. These nested experiments formed rungs of our “DDA ladder.” The method was tested for replicates analyzing ~500 pg of protein digest from cultured hippocampal (primary) neurons (mouse), which estimates to the total amount of protein from a single neuron. Analysis of net amounts approximating to ~10 neurons identified 428 nonredundant proteins (415 quantified), an ~35% increase over traditional DDA. The identified proteins were enriched in neuronal marker genes and molecular pathways of neurobiological importance. The DDA ladder deepens the detectable proteome from trace amounts of proteins, expanding the analytical toolbox of neuroscience.

Abstract One hurdle in the development of zebrafish models of human disease is the presence of multiple zebrafish orthologs resulting from whole genome duplication in teleosts. Mutations in Inositol polyphosphate 5-phosphatase K ( INPP5K ) lead to a syndrome characterized by variable presentation of intellectual disability, brain abnormalities, cataracts, muscle disease, and short stature. INPP5K is a phosphatase acting at position 5 of phosphoinositides to control their homeostasis and is involved in insulin signaling, cytoskeletal regulation, and protein trafficking. Previously, our group and others have replicated the human phenotypes in zebrafish knockdown models by targeting both INPP5K orthologs inpp5ka and inpp5kb . Here, we show that inpp5ka is the more closely related orthologue to human INPP5K . While both inpp5ka and inpp5kb mRNA expression levels follow a similar trend in the developing head, eyes, and tail, inpp5ka is much more abundantly expressed in these tissues than inpp5kb. In situ hybridization revealed a similar trend, also showing unique localization of inpp5kb in the pineal gland indicating different transcriptional regulation. We also found that inpp5kb has lost its catalytic activity against its preferred substrate, PtdIns(4,5)P 2 . Since most human mutations are missense changes disrupting phosphatase activity, we propose that loss of inpp5ka alone can be targeted to recapitulate the human presentation. In addition, we show that the function of inpp5kb has diverged from inpp5ka and may play a novel role in the zebrafish.

Abstract Digging behavior is often used to test motor function and repetitive behaviors in mice. Different digging paradigms have been developed for behaviors related to anxiety and compulsion in mouse lines generated to recapitulate genetic mutations leading to psychiatric and neurological disorders. However, the interpretation of these tests has been confounded by the difficulty of determining the motivation behind digging in mice. Digging is a naturalistic mouse behavior, that can be focused toward different goals, i.e. foraging for food, burrowing for shelter, burying objects, or even for recreation as has been shown for dogs, ferrets, and human children. However, the interpretation of results from current testing protocols assumes the motivation behind the behavior often concluding that increased digging is a repetitive or compulsive behavior. We asked whether providing a choice between different types of digging activities would increase sensitivity to assess digging motivation. Here, we present a test to distinguish between burrowing and exploratory digging in mice. We found that mice prefer burrowing when the option is available. When food restriction was used to promote a switch from burrowing to exploration, males readily switched from burrowing to digging outside, while females did not. In addition, when we tested a model of intellectual disability and autism spectrum disorder that had shown inconsistent results in the marble burying test, the Cc2d1a conditional knock-out mouse, we found greatly reduced burrowing only in males. Our findings indicate that digging is a nuanced motivated behavior and suggest that male and female rodents may perform it differently. Significance Statement Digging behavior is commonly assessed in mice to study features of neurodevelopmental, psychiatric and neurological disorder. However, existing digging assays fail to discriminate between types of digging complicating data interpretation. Here we present a modified digging behavior discrimination task that can produce sensitive results in 30 minutes with easy to gather measures, making it accessible to wide variety of labs and experimental paradigms.

Hundreds of genes are mutated in non-syndromic intellectual disability (ID) and autism spectrum disorder (ASD), with each gene often involved in only a handful of cases. Such heterogeneity can be daunting, but rare recessive loss of function (LOF) mutations can be a good starting point to provide insight into the mechanisms of neurodevelopmental disease. Biallelic LOF mutations in the signaling scaffold CC2D1A cause a rare form of autosomal recessive ID, sometimes associated with ASD and seizures. In parallel, we recently reported that Cc2d1a-deficient mice present with cognitive and social deficits, hyperactivity and anxiety. In Drosophila loss of the only ortholog of Cc2d1a, lgd, is embryonic lethal, while in vertebrates Cc2d1a has a homolog Cc2d1b which appears to be compensating, indicating that Cc2d1a and Cc2d1b have redundant function in humans and mice. Here, we generate an allelic series of Cc2d1a and Cc2d1b loss of function to determine the relative role of these genes during behavioral development. We generated Cc2d1b knockout (KO), Cc2d1a/1b double heterozygous and double KO mice, then performed behavioral studies to analyze learning and memory, social interactions, anxiety, and hyperactivity. We found that Cc2d1a and Cc2d1b have partially overlapping roles. Overall, loss of Cc2d1b is less severe than loss of Cc2d1a, only leading to cognitive deficits, while Cc2d1a/1b double heterozygous animals are similar to Cc2d1a-deficient mice. These results will help us better understand the deficits in individuals with CC2D1A mutations, suggesting that recessive CC2D1B mutations and trans-heterozygous CC2D1A and CC2D1B mutations could also contribute to the genetics of ID.

Background: The prevalence of neurodevelopmental disorders is biased towards males with male:female ratios of 2:1 in intellectual disability (ID) and 4:1 in autism spectrum disorder (ASD). However, the molecular mechanisms of such bias remain unknown. While characterizing a mouse model for loss of the signaling scaffold coiled-coil and C2 domain containing 1A (CC2D1A), which is mutated in ID and ASD, we identified biochemical and behavioral differences between males and females, and explored whether CC2D1A controls male-specific intracellular signaling. Methods: CC2D1A is known to regulate phosphodiesterase 4D (PDE4D). We tested for activation PDE4D and downstream signaling molecules such as CREB in the hippocampus of Cc2d1a-deficient mice. We then performed behavioral studies in females to analyze learning and memory, social interactions, anxiety and hyperactivity. Finally, we targeted PDE4D activation with a PDE4D inhibitor to define how changes in PDE4D and CREB activity affect behavior in males and females. Results: We found that in Cc2d1a-deficient males PDE4D is hyperactive leading to a reduction in CREB signaling, but this molecular deficit is not present in females. Cc2d1a-deficient females only show impairment in novel object recognition, and no other cognitive and social deficits that have been found in males. Restoring PDE4D activity using an inhibitor rescues male-specific cognitive deficits, but has no effect on females. Conclusions: Our findings show that CC2D1A regulates intracellular signaling in a male-specific manner in the hippocampus leading to male-specific behavioral deficits. We propose that male-specific signaling mechanisms are involved in establishing sex bias in neurodevelopmental disorders.

The duplication-triplication/inverted-duplication (DUP-TRP/INV-DUP) structure is a complex genomic rearrangement (CGR). Although it has been identified as an important pathogenic DNA mutation signature in genomic disorders and cancer genomes, its architecture remains unresolved. Here, we studied the genomic architecture of DUP-TRP/INV-DUP by investigating the DNA of 24 patients identified by array comparative genomic hybridization (aCGH) on whom we found evidence for the existence of 4 out of 4 predicted structural variant (SV) haplotypes. Using a combination of short-read genome sequencing (GS), long-read GS, optical genome mapping, and single-cell DNA template strand sequencing (strand-seq), the haplotype structure was resolved in 18 samples. The point of template switching in 4 samples was shown to be a segment of ∼2.2-5.5 kb of 100% nucleotide similarity within inverted repeat pairs. These data provide experimental evidence that inverted low-copy repeats act as recombinant substrates. This type of CGR can result in multiple conformers generating diverse SV haplotypes in susceptible dosage-sensitive loci.

ABSTRACT Purpose The variome of the Turkish (TK) population, a population with a considerable history of admixture and consanguinity, has not been deeply investigated deeply for its potential impact on the genomic architecture of disease traits. Methods We generated and analyzed a database of variants derived from exome sequencing (ES) data of 773 TK unrelated, clinically affected individuals with various suspected Mendelian disease traits, and 643 unaffected relatives. Results Using uniform manifold approximation and projection (UMAP), we showed that the TK genomes are more similar to those of Europeans and consist of two main subpopulations: clusters 1 and 2 (N=235 and 1,181) that differ in admixture proportion and variome ( https://turkishvariomedb.shinyapps.io/tvdb/ ). Furthermore, the higher inbreeding coefficient ( F ) values observed in the TK affected compared to unaffected individuals correlated with a larger median span of long-sized (>2.64 Mb) runs of homozygosity (ROH) regions ( p -value=2.09e-18). We show that long-sized ROHs are more likely to be formed on recently configured haplotypes enriched for rare homozygous deleterious variants in the TK-affected compared to TK-unaffected individuals ( p -value= 3.35e-11). Analysis of genotype-phenotype correlations reveals that genes with rare homozygous deleterious variants in long-sized ROHs provide the most comprehensive set of molecular diagnoses for the observed disease traits with a systematic quantitative analysis of HPO (Human Phenotype Ontology) terms. Conclusion Our findings support the notion that novel rare variants on newly configured haplotypes arising within the recent past generations of a family or clan contribute significantly to recessive disease traits in the TK population.

Abstract Biallelic mutations in Protein O-mannosyltransferase 1 ( POMT1 ) are among the most common causes of a severe group of congenital muscular dystrophies (CMDs) known as dystroglycanopathies. POMT1 is a glycosyltransferase responsible for the attachment of a functional glycan mediating interactions between the transmembrane glycoprotein dystroglycan and its binding partners in the extracellular matrix (ECM). Disruptions in these cell-ECM interactions lead to multiple developmental defects causing brain and eye malformations in addition to CMD. Removing Pomt1 in the mouse leads to early embryonic death due to the essential role of dystroglycan during placental formation in rodents. Here, we characterized and validated a model of pomt1 loss of function in the zebrafish showing that developmental defects found in individuals affected by dystroglycanopathies can be recapitulated in the fish. We also discovered that pomt1 mRNA provided by the mother in the oocyte supports dystroglycan glycosylation during the first few weeks of development. Muscle disease, retinal synapse formation deficits, and axon guidance defects can only be uncovered during the first week post fertilization by generating knock-out embryos from knock-out mothers. Conversely, maternal pomt1 from heterozygous mothers was sufficient to sustain muscle, eye, and brain development only leading to loss of photoreceptor synapses at 30 days post fertilization. Our findings show that it is important to define the contribution of maternal mRNA while developing zebrafish models of dystroglycanopathies and that offspring generated from heterozygous and knock-out mothers can be used to differentiate the role of dystroglycan glycosylation in tissue formation and maintenance.

Pathogenic autosomal recessive variants in CAD, encoding the multienzymatic protein initiating pyrimidine de novo biosynthesis, cause a severe inborn metabolic disorder treatable with a dietary supplement of uridine. This condition is difficult to diagnose given the large size of CAD with over 1000 missense variants and the non-specific clinical presentation. We aimed to develop a reliable and discerning assay to assess the pathogenicity of CAD variants and to select affected individuals that might benefit from uridine therapy.Using CRISPR/Cas9, we generated a human CAD-knockout cell line that requires uridine supplements for survival. Transient transfection of the knockout cells with recombinant CAD restores growth in absence of uridine. This system determines missense variants that inactivate CAD and do not rescue the growth phenotype. We identified 25 individuals with biallelic variants in CAD and a phenotype consistent with a CAD deficit. We used the CAD-knockout complementation assay to test a total of 34 variants, identifying 16 as deleterious for CAD activity. Combination of these pathogenic variants confirmed 11 subjects with a CAD deficit, for whom we describe the clinical phenotype. We designed a cell-based assay to test the pathogenicity of CAD variants, identifying 11 CAD deficient individuals, who could benefit from uridine therapy.