ABSTRACT Dystonia is a debilitating hyperkinetic movement disorder, frequently transmitted as a monogenic trait. Here, we describe homozygous frameshift, nonsense and missense variants in TSPOAP1 , encoding the active zone RIM-binding protein 1 (RIMBP1), as a novel genetic cause of autosomal recessive dystonia in seven subjects from three unrelated families. Subjects carrying loss-of-function variants presented with juvenile- onset progressive generalized dystonia, associated with intellectual disability and cerebellar atrophy. Conversely, subjects carrying a pathogenic missense variant (p.Gly1808Ser) presented with isolated adult-onset focal dystonia. In mice, complete loss of RIMBP1, known to reduce neurotransmission, led to motor abnormalities reminiscent of dystonia, decreased Purkinje cell dendritic arborization, and reduced numbers of cerebellar synapses. In vitro analysis of the p.Gly1808Ser variant showed larger spike-evoked calcium transients and enhanced neurotransmission, suggesting that RIMBP1-linked dystonia can be caused by either reduced or enhanced rates of spike-evoked release in relevant neural networks. Our findings establish a direct link between presynaptic RIMBP1 dysfunction and dystonia and highlight the critical role played by well-balanced neurotransmission in motor control and disease pathogenesis.

Dystonia is a neurological disorder characterized by sustained or intermittent muscle contractions causing abnormal movements and postures, often occurring in absence of any structural brain abnormality. Psychiatric comorbidities, including anxiety, depression, obsessive-compulsive disorder and schizophrenia, are frequent in dystonia patients. While mutations in a fast-growing number of genes have been linked to Mendelian forms of dystonia, the cellular, anatomical, and molecular basis remains unknown for most genetic forms of dystonia, as does its genetic and biological relationship to neuropsychiatric disorders. Here we applied an unbiased systems-biology approach to explore the cellular specificity of all currently known dystonia-associated genes, predict their functional relationships, and test whether dystonia and neuropsychiatric disorders share a genetic relationship. To determine the cellular specificity of dystonia-associated genes in the brain, single-nuclear transcriptomic data derived from mouse brain was used together with expression-weighted cell-type enrichment. To identify functional relationships amongst dystonia-associated genes, we determined the enrichment of these genes in co-expression networks constructed from ten human brain regions. Stratified linkage-disequilibrium score regression was used to test whether co-expression modules enriched for dystonia-associated genes significantly contribute to the heritability of anxiety, major depressive disorder, obsessive-compulsive disorder, schizophrenia, and Parkinson disease. Dystonia-associated genes were significantly enriched in adult nigral dopaminergic neurons and striatal medium spiny neurons. Furthermore, four of the 220 gene co-expression modules tested were significantly enriched for the dystonia-associated genes. The identified modules were derived from the substantia nigra, putamen, frontal cortex, and white matter, and were all significantly enriched for genes associated with synaptic function. Finally, we demonstrated significant enrichments of the heritability of depression, obsessive-compulsive disorder and schizophrenia, but not anxiety and Parkinson disease, within the putamen and white matter modules. In conclusion, multiple dystonia-associated genes interact and contribute to pathogenesis likely through dysregulation of synaptic signalling in striatal medium spiny neurons, adult nigral dopaminergic neurons and frontal cortical neurons. Furthermore, the enrichment of the heritability of psychiatric disorders in the co-expression modules enriched for dystonia-associated genes indicates that psychiatric symptoms associated with dystonia are likely to be intrinsic to its pathophysiology.