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.

Trisomy for human chromosome 21 (Hsa21) results in Down syndrome (DS), one of the most genetically complex conditions compatible with human survival. Assessment of the physiological consequences of dosage-driven overexpression of individual Hsa21 genes during early embryogenesis and the resulting contributions to DS pathology in mammals are not tractable in a systematic way. A recent study looked loss-of-function of C. elegans orthologues of Hsa21 genes and identified ten candidates with behavioral phenotypes, but the equivalent over-expression experiment has not been done. We turned to zebrafish as a developmental model and, using a number of surrogate phenotypes, we screened Hsa21 genes for dosage sensitive effects on early embyrogenesis. We prepared a library of 164 cDNAs of conserved protein coding genes, injected mRNA into early embryos and evaluated up to 5 days post-fertilization (dpf). Twenty-four genes produced a gross morphological phenotype, 11 of which could be reproduced reliably. Seven of these gave a phenotype consistent with down regulation of the sonic hedgehog (Shh) pathway; two showed defects indicative of defective neural crest migration; one resulted consistently in pericardial edema; and one was embryonic lethal. Combinatorial injections of multiple Hsa21 genes revealed both additive and compensatory effects, supporting the notion that complex genetic relationships underlie end phenotypes of trisomy that produce DS. Together, our data suggest that this system is useful in the genetic dissection of dosage-sensitive gene effects on early development and can inform the contribution of both individual loci and their combinatorial effects to phenotypes relevant to the etiopathology of DS.

Abstract Heterotopic ossifications (HOs) are the pathologic process by which bone inappropriately forms outside of the skeletal system. Despite HOs being a persistent clinical problem in the general population, there are no definitive strategies for their prevention and treatment due to a limited understanding of the cellular and molecular mechanisms contributing to lesion development. One disease in which the development of heterotopic subcutaneous ossifications (SCOs) leads to morbidity is Albright hereditary osteodystrophy (AHO). AHO is caused by heterozygous inactivation of GNAS , the gene that encodes the α-stimulatory subunit (Gα s ) of G proteins. Previously, we had shown using our laboratory’s AHO mouse model that SCOs develop around hair follicles (HFs). Here we show that SCO formation occurs due to inappropriate expansion and differentiation of HF-resident stem cells into osteoblasts. We also show in AHO patients and mice that Secreted Frizzled Related Protein 2 ( SFRP2) expression is upregulated in regions of SCO formation and that elimination of Sfrp2 in male AHO mice exacerbates SCO development. These studies provide key insights into the cellular and molecular mechanisms contributing to SCO development and have implications for potential therapeutic modalities not only for AHO patients but also for patients suffering from HOs with other etiologies.