Merosin-deficient congenital muscular dystrophy (MDC1A) is an autosomal recessive disorder caused by mutations in the LAMA2 gene, resulting in a defective form of the extracellular matrix protein laminin-α2 (LAMA2). Individuals diagnosed with MDC1A exhibit progressive muscle wasting and declining neuromuscular functions. No treatments for this disorder are currently available. We previously showed that postnatal Lama1 upregulation, achieved through CRISPR activation (CRISPRa), compensates for Lama2 deficiency and prevents neuromuscular pathophysiology in a mouse model of MDC1A. In this study, we assessed the feasibility of upregulating human LAMA1 as a potential therapeutic strategy for individuals with MDC1A, regardless of their mutations. We hypothesized that CRISPRa-mediated upregulation of human LAMA1 would compensate for the lack of LAMA2 and rescue cellular abnormalities in MDC1A fibroblasts. Global transcriptomic and pathway enrichment analyses of fibroblasts collected from individuals carrying pathogenic LAMA2 mutations, compared with healthy controls, indicated higher expression of transcripts encoding proteins that contribute to wound healing, including Transforming Growth Factor-β (TGF-β) and Fibroblast Growth Factor (FGF). These findings were supported by wound-healing assays indicating that MDC1A fibroblasts migrated significantly more rapidly than the controls. Subsequently, we treated the MDC1A fibroblasts with SadCas9-2XVP64 and sgRNAs targeting the LAMA1 promoter. We observed robust LAMA1 expression, which was accompanied by significant decreases in cell migration and expression of FGFR2, TGF-β2, and ACTA2, which are involved in the wound-healing mechanism in MDC1A fibroblasts. Collectively, our data suggest that CRISPRa-mediated LAMA1 upregulation may be a feasible mutation-independent therapeutic approach for MDC1A. This strategy might be adapted to address other neuromuscular diseases and inherited conditions in which strong compensatory mechanisms have been identified.

Abstract Polyamines (putrescine, spermidine, and spermine) are essential molecules for normal cellular functions and are subject to strict metabolic regulation. Mutations in the gene encoding spermine synthase (SMS) lead to accumulation of spermidine in an X-linked recessive disorder known as Snyder-Robinson syndrome (SRS). Presently, no treatments exist for this rare disease that manifests with a spectrum of symptoms including intellectual disability, developmental delay, thin habitus, and low muscle tone. The development of therapeutic interventions for SRS will require a suitable disease-specific animal model that recapitulates many of the abnormalities observed in patients. Here, we characterize the molecular, behavioral, and neuroanatomical features of a mouse model with a missense mutation in Sms gene that results in a glycine-to-serine substitution at position 56 (G56S) of the SMS protein. Mice harboring this mutation exhibit a complete loss of SMS protein and elevated spermidine/spermine ratio in skeletal muscles and the brain. In addition, the G56S mice demonstrate increased anxiety, impaired learning, and decreased explorative behavior in fear conditioning, Morris water maze, and open field tests, respectively. Furthermore, these mice failed to gain weight over time and exhibit abnormalities in brain structure and bone density. Transcriptomic analysis of the cerebral cortex revealed downregulation of genes associated with mitochondrial oxidative phosphorylation and ribosomal protein synthesis. Our findings also revealed impaired mitochondrial bioenergetics in fibroblasts isolated from the G56S mice, indicating a correlation between these processes in the affected mice. Collectively, our findings establish the first in-depth characterization of an SRS preclinical mouse model that identifies cellular processes that could be targeted for future therapeutic development.