Abstract Fuchs endothelial corneal dystrophy (FECD) is an age-related cause of vision loss, and the most common repeat expansion-mediated disease in humans characterised to date. Up to 80% of European FECD cases have been attributed to expansion of a non-coding CTG repeat element (termed CTG18.1) located within the ubiquitously expressed transcription factor encoding gene, TCF4 . The non-coding nature of the repeat and the transcriptomic complexity of TCF4 have made it extremely challenging to experimentally decipher the molecular mechanisms underlying this disease. Here we comprehensively describe CTG18.1 expansion-driven molecular components of disease within primary patient-derived corneal endothelial cells (CECs), generated from a large cohort of individuals with CTG18.1-expanded (Exp+) and CTG 18.1-independent (Exp-) FECD. We employ long-read, short-read, and spatial transcriptomic techniques to interrogate expansion-specific transcriptomic biomarkers. Interrogation of long-read sequencing and alternative splicing analysis of short-read transcriptomic data together reveals the global extent of altered splicing occurring within Exp+ FECD, and unique transcripts associated with CTG18.1-expansions. Similarly, differential gene expression analysis highlights the total transcriptomic consequences of Exp+ FECD within CECs. Furthermore, differential exon usage, pathway enrichment and spatial transcriptomics reveal TCF4 isoform ratio skewing solely in Exp+ FECD with potential downstream functional consequences. Lastly, exome data from 134 Exp- FECD cases identified rare (minor allele frequency <0.005) and potentially deleterious (CADD>15) TCF4 variants in 7/134 FECD Exp- cases, suggesting that TCF4 variants independent of CTG18.1 may increase FECD risk. In summary, our study supports the hypothesis that at least two distinct pathogenic mechanisms, RNA toxicity and TCF4 isoform-specific dysregulation, both underpin the pathophysiology of FECD. We anticipate these data will inform and guide the development of translational interventions for this common triplet-repeat mediated disease. Author’s summary Fuchs endothelial corneal dystrophy (FECD) leads to vision loss and is the most common repeat expansion-mediated disease characterised to date; most individuals with FECD harbour a non-coding CTG repeat expansion within the gene TCF4 . FECD represents an important paradigm for other rare and devastating neurological repeat-mediated diseases, given its relatively mild and tissue-specific nature. Intriguingly, despite TCF4 being ubiquitously expressed, individuals with FECD only experience corneal disease, and the biological reason for this tissue-specificity remains elusive. Here, we use tissue from 31 individuals with FECD to perform complementary long-read, short-read and spatial transcriptomic analyses to enhance our understanding of mechanisms underpinning this disease. These data highlight that at least two mechanisms, RNA toxicity and TCF4 isoform dysregulation, underlie the disease state in affected corneal cells. Furthermore, TCF4 isoform skewing, with evidence of downregulation, suggests this mechanism in part may explain the unique vulnerability of the cornea. In addition, 7/134 FECD expansion negative cases were identified to harbour rare and potentially deleterious TCF4 variants, further supporting the hypothesis that dysregulation of TCF4 may be key to FECD pathophysiology. Biological insights presented here will guide the development of personalised FECD therapies and may inform the development of repeat-expansion mediated therapies more broadly.

Abstract Colubridae is the largest and most diverse family of snakes, with visual systems that reflect this diversity, encompassing a variety of retinal photoreceptor organizations. The transmutation theory proposed by Walls postulates that photoreceptors could evolutionarily transition between cell types in squamates, but few studies have tested this theory. Recently, evidence for transmutation and rod-like machinery in an all cone retina has been identified in a diurnal garter snake ( Thamnophis ), and it appears that the rhodopsin gene at least may be widespread among colubrid snakes. However, functional evidence supporting transmutation beyond the existence of the rhodopsin gene remains rare. We examined the all cone retina of another diurnal colubrid, Pituophis melanoleucus , distantly related to Thamnophis . We found that P. melanoleucus expresses two cone opsins (SWS1, LWS) and rhodopsin (RH1) within the eye. Immunohistochemistry localized rhodopsin to the outer segment of photoreceptors in the all-cone retina of the snake and all opsin genes produced functional visual pigments when expressed in vitro . Consistent with other studies, we found that P. melanoleucus rhodopsin is extremely blue-shifted. Surprisingly, P. melanoleucus rhodopsin reacted with hydroxylamine, a typical cone opsin characteristic. These results support the idea that the rhodopsin-containing photoreceptors of P. melanoleucus are the products of evolutionary transmutation from rod ancestors, and suggests that this phenomenon may be widespread in colubrid snakes. We hypothesize that transmutation may be an adaptation for diurnal, brighter-light vision, which could result in increased spectral sensitivity and chromatic discrimination with the potential for colour vision. Summary Statement The all cone retina of the colubrid snake, Pituophis melanoleucus contains a blue-shifted rhodopsin with cone opsin-like properties, which may have been adaptive in diurnal snakes.

Corneal dystrophies are phenotypically and genetically heterogeneous, often resulting in visual impairment caused by corneal opacification. We investigated the genetic cause of an autosomal dominant corneal stromal dystrophy in a pedigree with eight affected individuals in three generations. Affected individuals had diffuse central stromal opacity, with reduced visual acuity in older family members. Histopathology of affected cornea tissue removed during surgery revealed mild stromal textural alterations with alcianophilic deposits. Whole genome sequence data were generated for four affected individuals. No rare variants (MAF < 0.001) were identified in established corneal dystrophy genes. However, a novel heterozygous missense variant in exon 4 of SPARCL1, NM_004684: c.334G > A; p.(Glu112Lys), which is predicted to be damaging, segregated with disease. SPARC-like protein 1 (SPARCL1) is a secreted matricellular protein involved in cell migration, cell adhesion, tissue repair, and remodelling. Interestingly, SPARCL1 has been shown to regulate decorin. Heterozygous variants in DCN, encoding decorin, cause autosomal dominant congenital stromal corneal dystrophy, suggesting a common pathogenic pathway. Therefore, we performed immunohistochemistry to compare SPARCL1 and decorin localisation in corneal tissue from an affected family member and an unaffected control. Strikingly, the level of decorin was significantly decreased in the corneal stroma of the affected tissue, and SPARCL1 appeared to be retained in the epithelium. In summary, we describe a novel autosomal dominant corneal stromal dystrophy associated with a missense variant in SPARCL1, extending the phenotypic and genetic heterogeneity of inherited corneal disease.

Abstract Here, we demonstrate the utility of optical genome mapping (OGM) to interrogate the Fuchs endothelial corneal dystrophy (FECD)-associated intronic TCF4 triplet repeat (termed CTG18.1) and gain novel insights into the tissue-specific nature of the disease. Genomic DNA (gDNA) samples derived from peripheral blood leukocytes and primary corneal endothelial cells (CECs) were analysed by OGM. Concurrently, all samples were genotyped by standard PCR-based methods to classify their expansion status. Individuals with one or more CTG18.1-expanded alleles (≥50 CTG repeats) detected in their leukocyte-derived gDNA were classified as expansion-positive. A customised bioinformatics pipeline was developed to perform CTG18.1-targeted OGM analysis. All linearised gDNA molecules containing labels flanking CTG18.1 were extracted, corrected for the repeats on the reference human genome and sized. Analysis of paired bio-samples revealed that expanded CTG18.1 alleles behave dynamically, regardless of cell-type origin, but displayed significantly higher levels of instability within the diseased corneal endothelium. Clusters of CTG18.1 molecules of approximately 1,800-11,900 repeats, beyond the ranges observed in individual-matched leukocyte samples, were detected in all CEC gDNA samples from expansion-positive cases. In conclusion, OGM is a powerful method to analyse the somatically unstable CTG18.1 locus. More generally, this work exemplifies the broader utility of OGM in exploring somatically unstable short tandem repeat loci. Furthermore, this study has highlighted the extreme levels of tissue-specific CTG18.1 somatic instability occurring within the diseased corneal endothelium, which we hypothesise plays a pivotal role in driving downstream pathogenic mechanisms of CTG18.1-mediated FECD.

Abstract Snakes are known to express a rod visual opsin and two cone opsins, only (SWS1, LWS), a reduced palette resulting from their supposedly fossorial origins. Dipsadid snakes in the genus Helicops are highly visual predators that successfully invaded freshwater habitats from ancestral terrestrial-only habitats. Here we report the first case of multiple SWS1 visual pigments in a vertebrate, simultaneously expressed in different photoreceptors and conferring both UV and violet sensitivity to Helicops snakes. Molecular analysis and in vitro expression confirmed the presence of two functional SWS1 opsins, likely the result of recent gene duplication. Evolutionary analyses indicate that each sws1 variant has undergone different evolutionary paths, with strong purifying selection acting on the UV-sensitive copy and d N /d S ∼1 on the violet-sensitive copy. Site-directed mutagenesis points to the functional role of a single amino acid substitution, Phe86Val, in the large spectral shift between UV and violet opsins. In addition, higher densities of photoreceptors and SWS1 cones in the ventral retina suggest improved acuity in the upper visual field possibly correlated with visually-guided behaviors. The expanded visual opsin repertoire and specialized retinal architecture are likely to improve photon uptake in underwater and terrestrial environments, and provide the neural substrate for a gain in chromatic discrimination, potentially conferring unique color vision in the UV-violet range. Our findings highlight the innovative solutions undertaken by a highly specialized lineage to tackle the challenges imposed by the invasion of novel photic environments and the extraordinary diversity of evolutionary trajectories taken by visual opsin-based perception in vertebrates.