Aging is associated with increased prevalence of axonal injuries characterized by poor regeneration and disability. However, the underlying mechanisms remain unclear. In our experiments, RNA sequencing of sciatic dorsal root ganglia (DRG) revealed significant aging-dependent enrichment in T cell signaling both before and after sciatic nerve injury (SNI) in mice. Lymphotoxin activated the transcription factor NF-κB, which induced expression of the chemokine CXCL13 by neurons. This in turn recruited CXCR5+CD8+ T cells to injured DRG neurons overexpressing major histocompatibility complex class I. CD8+ T cells repressed the axonal regeneration of DRG neurons via caspase 3 activation. CXCL13 neutralization prevented CXCR5+CD8+ T cell recruitment to the DRG and reversed aging-dependent regenerative decline, thereby promoting neurological recovery after SNI. Thus, axonal regeneration can be facilitated by antagonizing cross-talk between immune cells and neurons.

Nucleotide repeat expansions in the human genome are a well-known cause of neurological disease. In the past decade, advances in DNA sequencing technologies have led to a better understanding of the role of non-coding DNA, that is, the DNA that is not transcribed into proteins. These techniques have also enabled the identification of pathogenic non-coding repeat expansions that cause neurological disorders. Mounting evidence shows that adult patients with familial or sporadic presentations of epilepsy, cognitive dysfunction, myopathy, neuropathy, ataxia, or movement disorders can be carriers of non-coding repeat expansions. The description of the clinical, epidemiological, and molecular features of these recently identified non-coding repeat expansion disorders should guide clinicians in the diagnosis and management of these patients, and help in the genetic counselling for patients and their families.

Abstract Background Expansions of short tandem repeats are the cause of many neurogenetic disorders including familial amyotrophic lateral sclerosis, Huntington disease, and many others. Multiple methods have been recently developed that can identify repeat expansions in whole genome or exome sequencing data. Despite the widely-recognized need for visual assessment of variant calls in clinical settings, current computational tools lack the ability to produce such visualizations for repeat expansions. Expanded repeats are difficult to visualize because they correspond to large insertions relative to the reference genome and involve many misaligning and ambiguously aligning reads. Results We implemented REViewer, a computational method for visualization of sequencing data in genomic regions containing long repeat expansions. To generate a read pileup, REViewer reconstructs local haplotype sequences and distributes reads to these haplotypes in a way that is most consistent with the fragment lengths and evenness of read coverage. To create appropriate training materials for onboarding new users, we performed a concordance study involving 12 scientists involved in STR research. We used the results of this study to create a user guide that describes the basic principles of using REViewer as well as a guide to the typical features of read pileups that correspond to low confidence repeat genotype calls. Additionally, we demonstrated that REViewer can be used to annotate clinically-relevant repeat interruptions by comparing visual assessment results of 44 FMR1 repeat alleles with the results of triplet repeat primed PCR. For 38 of these alleles, the results of visual assessment were consistent with triplet repeat primed PCR. Conclusions Read pileup plots generated by REViewer offer an intuitive way to visualize sequencing data in regions containing long repeat expansions. Laboratories can use REViewer to assess the quality of repeat genotype calls as well as to visually detect interruptions or other imperfections in the repeat sequence and the surrounding flanking regions.

Abstract DNA-based therapeutics have emerged as a revolutionary approach for addressing the treatment gap in rare inherited conditions by targeting the fundamental genetic causes of disease. Charcot-Marie-Tooth (CMT) disease, a group of inherited neuropathies, represents one of the most prevalent Mendelian disease groups in neurology and is characterized by diverse genetic etiology. Axonal forms of CMT, known as CMT2, are caused by dominant mutations in over 30 different genes which lead to degeneration of lower motor neuron axons. Recent advances in antisense oligonucleotide (ASO) therapeutics have shown promise in targeting neurodegenerative disorders. Here we elucidate pathomechanistic changes contributing to variant specific molecular phenotypes in CMT2E, caused by a single nucleotide substitution (p.N98S) in the neurofilament light chain gene (NEFL). We used a patient-derived pluripotent stem cell (iPSC)-induced motor neuron model, which recapitulates several cellular and biomarker phenotypes associated with CMT2E. Using an ASO treatment strategy targeting a heterozygous gain-of-function variant, we aimed to resolve molecular phenotypic changes observed in the CMT2E p.N98S subtype. To determine ASO therapeutic potential, we employed our treatment strategy in iPSC-derived motor neurons and used established as well as novel biomarkers of peripheral nervous system axonal degeneration. Our findings have demonstrated a significant decrease in clinically relevant biomarkers of axonal degeneration, presenting the first clinically viable genetic therapeutic for CMT2E. Similar strategies could be used to develop precision medicine approaches for otherwise untreatable gain of function inherited disorders.

Charcot-Marie-Tooth (CMT) disease is a neuromuscular disorder affecting the peripheral nervous system. The diagnostic yield in demyelinating CMT (CMT1) is typically ∼80-95%, of which at least 60% is due to the PMP22 gene duplication. The remainder of CMT1 is more genetically heterogeneous. We used whole exome and whole genome sequencing data included in the GENESIS database to investigate novel causal genes and mutations in a cohort of ∼2,670 individuals with CMT neuropathy. A recurrent heterozygous missense variant p.Thr1424Met in the recently described CMT gene ITPR3, encoding IP3R3 (inositol 1,4,5-trisphosphate receptor 3) was identified. This previously reported p.Thr1424Met change was present in 33 affected individuals from nine unrelated families from multiple populations, representing an unusual recurrence rate at a mutational hotspot, strengthening the gene-disease relationship (GnomADv4 allele frequency 1.76e-6). Sanger sequencing confirmed the co-segregation of the CMT phenotype with the presence of the mutation in autosomal dominant and de novo inheritance patterns, including a four-generation family with multiple affected second-degree cousins. Probands from all families presented with slow nerve conduction velocities, matching the diagnostic category of CMT1. Remarkably, we observed a uniquely variable clinical phenotype for age at onset and phenotype severity in p.Thr1424Met carrying patients, even within families. Finally, we present data supportive of a dominant-negative effect of the p.Thr1424Met mutation with associated changes in protein expression in patient-derived cells.

Abstract Tandem repeats (TRs) are polymorphic sequences of DNA that are composed of repeating units of motifs, whose lengths can vary depending on the type of TR. Expansions of TRs are responsible for approximately 50 monogenic diseases, compared to over 4,300 disease causing genes disrupted by single nucleotide variants and small indels. It appears thus reasonable to expect the discovery of additional pathogenic repeat expansions, which has the potential of significantly narrowing the current diagnostic gap in many diseases. Recently, short and long-read whole genome sequencing with the use of advanced bioinformatics tools, have identified a growing number of TR expansions in the human population. The majority of these loci are expanded in <1% of genomes. Categorizing and prioritizing such TR loci is a growing challenge to human genomic studies. We present a first-in-class machine learning tool, RExPRT (Repeat EXpansion Pathogenicity pRediction Tool), which is designed to distinguish pathogenic from benign TR expansions. Leave-one-out cross validation results demonstrated that an ensemble approach comprised of support vector machines (SVM) and extreme gradient boosted decision tree (XGB) classify TRs with a precision of 92% and a recall of 90%. Further validation of RExPRT on unseen test data demonstrate a similar precision of 86%, and a recall of 60%. RExPRT’s high precision in particular, will be of significant value to large-scale discovery studies, which require the prioritization of promising candidate loci for time-consuming and costly functional follow-up studies. Application of RExPRT to ~800,000 TRs in the reference genome identified ~30,000 TRs that would be likely pathogenic upon expansion. Thus, RExPRT establishes a foundation for the application of machine learning approaches to categorize the pathogenicity of tandem repeat loci.

Abstract In early embryogenesis of fast cleaving embryos DNA synthesis is short and surveillance mechanisms preserving genome integrity are inefficient implying the possible generation of mutations. We have analyzed mutagenesis in Xenopus laevis and Drosophila melanogaster early embryos. We report the occurrence of a high mutation rate in Xenopus and show that it is dependent upon the translesion DNA synthesis (TLS) master regulator Rad18. Unexpectedly, we observed a homology-directed repair contribution of Rad18 in reducing the mutation load. Genetic invalidation of TLS in the pre-blastoderm Drosophila embryo resulted in reduction of both the hatching rate and Single Nucleotide Variations on specific chromosome regions in adult flies. Altogether, these findings indicate that during very early Xenopus and Drosophila embryos TLS strongly contributes to the high mutation rate. This may constitute a previously unforeseen source of genetic diversity contributing to the polymorphisms of each individual with implications for genome evolution and species adaptation.

Abstract Tandem repeat (TR) variation is associated with gene expression changes and over 50 rare monogenic diseases. Recent advances in sequencing have enabled accurate, long reads that can characterize the full-length sequence and methylation profile of TRs. However, despite these advances in sequencing technology, computational methods to fully profile tandem repeats across the genome do not exist. To address this gap, we introduce tools for tandem repeat genotyping (TRGT), visualization and an accompanying TR database. TRGT accurately resolves the length and sequence composition of TR regions in the human genome. Assessing 937,122 TRs, TRGT showed a Mendelian concordance of 99.56%, allowing a single repeat unit difference. In six samples with known repeat expansions, TRGT detected all repeat expansions while also identifying methylation signals, mosaicism, and providing finer resolution of repeat length. Additionally, we release a database with allele sequences and methylation levels for 937,122 TRs across 100 genomes.