Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a paralytic and usually fatal disorder caused by motor-neuron degeneration in the brain and spinal cord. Most cases of ALS are sporadic but about 5-10% are familial. Mutations in superoxide dismutase 1 (SOD1), TAR DNA-binding protein (TARDBP, also known as TDP43) and fused in sarcoma (FUS, also known as translocated in liposarcoma (TLS)) account for approximately 30% of classic familial ALS. Mutations in several other genes have also been reported as rare causes of ALS or ALS-like syndromes. The causes of the remaining cases of familial ALS and of the vast majority of sporadic ALS are unknown. Despite extensive studies of previously identified ALS-causing genes, the pathogenic mechanism underlying motor-neuron degeneration in ALS remains largely obscure. Dementia, usually of the frontotemporal lobar type, may occur in some ALS cases. It is unclear whether ALS and dementia share common aetiology and pathogenesis in ALS/dementia. Here we show that mutations in UBQLN2, which encodes the ubiquitin-like protein ubiquilin 2, cause dominantly inherited, chromosome-X-linked ALS and ALS/dementia. We describe novel ubiquilin 2 pathology in the spinal cords of ALS cases and in the brains of ALS/dementia cases with or without UBQLN2 mutations. Ubiquilin 2 is a member of the ubiquilin family, which regulates the degradation of ubiquitinated proteins. Functional analysis showed that mutations in UBQLN2 lead to an impairment of protein degradation. Therefore, our findings link abnormalities in ubiquilin 2 to defects in the protein degradation pathway, abnormal protein aggregation and neurodegeneration, indicating a common pathogenic mechanism that can be exploited for therapeutic intervention.

Transcriptome sequencing improves the diagnostic rate for Mendelian disease in patients for whom genetic analysis has not returned a diagnosis.

Background

The SQSTM1 gene encodes p62, a major pathologic protein involved in neurodegeneration.

Objective

To examine whether SQSTM1 mutations contribute to familial and sporadic amyotrophic lateral sclerosis (ALS).

Design

Case-control study.

Setting

Academic research.

Patients

A cohort of 546 patients with familial (n = 340) or sporadic (n = 206) ALS seen at a major academic referral center were screened for SQSTM1 mutations.

Main Outcome Measures

We evaluated the distribution of missense, deletion, silent, and intronic variants in SQSTM1 among our cohort of patients with ALS. In silico analysis of variants was performed to predict alterations in p62 structure and function.

Results

We identified 10 novel SQSTM1 mutations (9 heterozygous missense and 1 deletion) in 15 patients (6 with familial ALS and 9 with sporadic ALS). Predictive in silico analysis classified 8 of 9 missense variants as pathogenic.

Conclusions

Using candidate gene identification based on prior biological knowledge and the functional prediction of rare variants, we identified several novel SQSTM1 mutations in patients with ALS. Our findings provide evidence of a direct genetic role for p62 in ALS pathogenesis and suggest that regulation of protein degradation pathways may represent an important therapeutic target in motor neuron degeneration.

The senses of touch and proprioception evoke a range of perceptions and rely on the ability to detect and transduce mechanical force. The molecular and neural mechanisms underlying these sensory functions remain poorly defined. The stretch-gated ion channel PIEZO2 has been shown to be essential for aspects of mechanosensation in model organisms.We performed whole-exome sequencing analysis in two patients who had unique neuromuscular and skeletal symptoms, including progressive scoliosis, that did not conform to standard diagnostic classification. In vitro and messenger RNA assays, functional brain imaging, and psychophysical and kinematic tests were used to establish the effect of the genetic variants on protein function and somatosensation.Each patient carried compound-inactivating variants in PIEZO2, and each had a selective loss of discriminative touch perception but nevertheless responded to specific types of gentle mechanical stimulation on hairy skin. The patients had profoundly decreased proprioception leading to ataxia and dysmetria that were markedly worse in the absence of visual cues. However, they had the ability to perform a range of tasks, such as walking, talking, and writing, that are considered to rely heavily on proprioception.Our results show that PIEZO2 is a determinant of mechanosensation in humans. (Funded by the National Institutes of Health Intramural Research Program.).

To assess whether laparoscopic cholecystectomy is superior to percutaneous catheter drainage in high risk patients with acute calculous cholecystitis.Multicentre, randomised controlled, superiority trial.11 hospitals in the Netherlands, February 2011 to January 2016.142 high risk patients with acute calculous cholecystitis were randomly allocated to laparoscopic cholecystectomy (n=66) or to percutaneous catheter drainage (n=68). High risk was defined as an acute physiological assessment and chronic health evaluation II (APACHE II) score of 7 or more.The primary endpoints were death within one year and the occurrence of major complications, defined as infectious and cardiopulmonary complications within one month, need for reintervention (surgical, radiological, or endoscopic that had to be related to acute cholecystitis) within one year, or recurrent biliary disease within one year.The trial was concluded early after a planned interim analysis. The rate of death did not differ between the laparoscopic cholecystectomy and percutaneous catheter drainage group (3% v 9%, P=0.27), but major complications occurred in eight of 66 patients (12%) assigned to cholecystectomy and in 44 of 68 patients (65%) assigned to percutaneous drainage (risk ratio 0.19, 95% confidence interval 0.10 to 0.37; P<0.001). In the drainage group 45 patients (66%) required a reintervention compared with eight patients (12%) in the cholecystectomy group (P<0.001). Recurrent biliary disease occurred more often in the percutaneous drainage group (53% v 5%, P<0.001), and the median length of hospital stay was longer (9 days v 5 days, P<0.001).Laparoscopic cholecystectomy compared with percutaneous catheter drainage reduced the rate of major complications in high risk patients with acute cholecystitis.Dutch Trial Register NTR2666.

Tissue injury and inflammation markedly alter touch perception, making normally innocuous sensations become intensely painful. Although this sensory distortion, known as tactile allodynia, is one of the most common types of pain, the mechanism by which gentle mechanical stimulation becomes unpleasant remains enigmatic. The stretch-gated ion channel PIEZO2 has been shown to mediate light touch, vibration detection, and proprioception. However, the role of this ion channel in nociception and pain has not been resolved. Here, we examined the importance of Piezo2 in the cellular representation of mechanosensation using in vivo imaging in mice. Piezo2-knockout neurons were completely insensitive to gentle dynamic touch but still responded robustly to noxious pinch. During inflammation and after injury, Piezo2 remained essential for detection of gentle mechanical stimuli. We hypothesized that loss of PIEZO2 might eliminate tactile allodynia in humans. Our results show that individuals with loss-of-function mutations in PIEZO2 completely failed to develop sensitization and painful reactions to touch after skin inflammation. These findings provide insight into the basis for tactile allodynia, identify the PIEZO2 mechanoreceptor as an essential mediator of touch under inflammatory conditions, and suggest that this ion channel might be targeted for treating tactile allodynia.

Abstract Exome and whole-genome sequencing are becoming increasingly routine approaches in Mendelian disease diagnosis. Despite their success, the current diagnostic rate for genomic analyses across a variety of rare diseases is approximately 25-50%. Here, we explore the utility of transcriptome sequencing (RNA-seq) as a complementary diagnostic tool in a cohort of 50 patients with genetically undiagnosed rare muscle disorders. We describe an integrated approach to analyze patient muscle RNA-seq, leveraging an analysis framework focused on the detection of transcript-level changes that are unique to the patient compared to over 180 control skeletal muscle samples. We demonstrate the power of RNA-seq to validate candidate splice-disrupting mutations and to identify splice-altering variants in both exonic and deep intronic regions, yielding an overall diagnosis rate of 35%. We also report the discovery of a highly recurrent de novo intronic mutation in COL6A1 that results in a dominantly acting splice-gain event, disrupting the critical glycine repeat motif of the triple helical domain. We identify this pathogenic variant in a total of 27 genetically unsolved patients in an external collagen VI-like dystrophy cohort, thus explaining approximately 25% of patients clinically suggestive of collagen VI dystrophy in whom prior genetic analysis is negative. Overall, this study represents a large systematic application of transcriptome sequencing to rare disease diagnosis and highlights its utility for the detection and interpretation of variants missed by current standard diagnostic approaches. One Sentence Summary Transcriptome sequencing improves the diagnostic rate for Mendelian disease in patients for whom genetic analysis has not returned a diagnosis.

Genetic variants that cause rare disorders may remain elusive even after expansive testing, such as exome sequencing. The diagnostic yield of genome sequencing, particularly after a negative evaluation, remains poorly defined.

Cytoplasmic and nuclear iron-sulfur (Fe-S) enzymes that are essential for genome maintenance and replication depend on the cytoplasmic Fe-S assembly (CIA) machinery for cluster acquisition. The core of the CIA machinery consists of a complex of CIAO1, MMS19 and FAM96B. The physiological consequences of loss of function in the components of the CIA pathway have thus far remained uncharacterized. Our study revealed that patients with biallelic loss of function in CIAO1 developed proximal and axial muscle weakness, fluctuating creatine kinase elevation, and respiratory insufficiency. In addition, they presented with CNS symptoms including learning difficulties and neurobehavioral comorbidities, along with iron deposition in deep brain nuclei, mild normocytic to macrocytic anemia, and gastrointestinal symptoms. Mutational analysis revealed reduced stability of the variants compared with WT CIAO1. Functional assays demonstrated failure of the variants identified in patients to recruit Fe-S recipient proteins, resulting in compromised activities of DNA helicases, polymerases, and repair enzymes that rely on the CIA complex to acquire their Fe-S cofactors. Lentivirus-mediated restoration of CIAO1 expression reversed all patient-derived cellular abnormalities. Our study identifies CIAO1 as a human disease gene and provides insights into the broader implications of the cytosolic Fe-S assembly pathway in human health and disease.

Abstract Rigid spine syndrome is a rare childhood-onset myopathy characterised by slowly progressive or non-progressive scoliosis, neck and spine contractures, hypotonia, and respiratory insufficiency. Biallelic variants in SELENON account for most cases of rigid spine syndrome, however, the underlying genetic cause in some patients remains unexplained. We used exome and genome sequencing to investigate the genetic basis of rigid spine syndrome in patients without a genetic diagnosis. In five patients from four unrelated families, we identified biallelic variants in HMGCS1 (3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A synthase). These included six missense variants and one frameshift variant distributed throughout HMGCS1. All patients presented with spinal rigidity primarily affecting the cervical and dorsolumbar regions, scoliosis, and respiratory insufficiency. Creatine kinase levels were variably elevated. The clinical course worsened with intercurrent disease or certain drugs in some patients; one patient died from respiratory failure following infection. Muscle biopsies revealed irregularities in oxidative enzyme staining with occasional internal nuclei and rimmed vacuoles. HMGCS1 encodes a critical enzyme of the mevalonate pathway and has not yet been associated with disease. Notably, biallelic hypomorphic variants in downstream enzymes including HMGCR and GGPS1 are associated with muscular dystrophy resembling our cohort’s presentation. Analyses of recombinant human HMGCS1 protein and four variants (p.S447P, p.Q29L, p.M70T, p.C268S) showed that all mutants maintained their dimerization state. Three of the four mutants exhibited reduced thermal stability, and two mutants showed subtle changes in enzymatic activity compared to the wildtype. Hmgcs1 mutant zebrafish displayed severe early defects, including immobility at 2 days and death by day 3 post-fertilisation and were rescued by HMGCS1 mRNA. We demonstrate that the four variants tested (S447P, Q29L M70T, and C268S) have reduced function compared to wildtype HMGCS1 in zebrafish rescue assays. Additionally, we demonstrate the potential for mevalonic acid supplementation to reduce phenotypic severity in mutant zebrafish. Overall, our analyses suggest that these missense variants in HMGCS1 act through a hypomorphic mechanism. Here, we report an additional component of the mevalonate pathway associated with disease and suggest biallelic variants in HMGCS1 should be considered in patients presenting with an unresolved rigid spine myopathy phenotype. Additionally, we highlight mevalonoic acid supplementation as a potential treatment for patients with HMGCS1-related disease.