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

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.

Abstract Antisense therapeutics such as splice-modulating antisense oligonucleotides (ASOs) are promising tools to treat diseases caused by splice-altering intronic variants. However, their testing in animal models is hampered by the generally poor sequence conservation of the intervening sequences between human and other species. Here we aimed to model in the mouse a recurrent, deep-intronic, splice-activating, COL6A1 variant, associated with a severe form of Collagen VI-related muscular dystrophies (COL6-RDs), for the purpose of testing human-ready antisense therapeutics in vivo . The variant, c.930+189C>T, creates a donor splice site and inserts a 72-nt-long pseudoexon, which, when translated, acts in a dominant-negative manner, but which can be skipped with ASOs. We created a unique humanized mouse allele (designated as “h”), in which a 1.9 kb of the mouse genomic region encoding the amino-terminus (N-) of the triple helical (TH) domain of collagen α1(VI) was swapped for the human orthologous sequence. In addition, we also created an allele that carries the c.930+189C>T variant on the same humanized knock-in sequence (designated as “h+189T”). We show that in both models, the human exons are spliced seamlessly with the mouse exons to generate a chimeric mouse-human collagen α1(VI) protein. In homozygous Col6a1 h+189T/ h+189T mice, the pseudoexon is expressed at levels comparable to those observed in heterozygous patients’ muscle biopsies. While Col6a1 h/h mice do not show any phenotype compared to wild-type animals, Col6a1 h/ h+189T and Col6a1 h+189T/ h+189T mice have smaller muscle masses and display grip strength deficits detectable as early as 4 weeks of age. The pathogenic h+189T humanized knock-in mouse allele thus recapitulates the pathogenic splicing defects seen in patients’ biopsies and allows testing of human-ready precision antisense therapeutics aimed at skipping the pseudoexon. Given that the COL6A1 N-TH region is a hot-spot for COL6-RD variants, the humanized knock-in mouse model can be utilized as a template to introduce other COL6A1 pathogenic variants. This unique humanized mouse model thus represents a valuable tool for the development of antisense therapeutics for COL6-RDs.

The application of allele-specific gene editing tools can expand the therapeutic options for dominant genetic conditions, either via gene correction or via allelic gene inactivation in situations where haploinsufficiency is tolerated. Here, we used allele-targeted CRISPR/Cas9 guide RNAs (gRNAs) to introduce inactivating frameshifting indels at a single nucleotide variant in the