Leber congenital amaurosis (LCA) is an inherited retinal dystrophy that causes childhood blindness. Photoreceptors are especially sensitive to an intronic mutation in the cilia-related gene CEP290, which causes missplicing and premature termination, but the basis of this sensitivity is unclear. Here, we generated differentiated photoreceptors in three-dimensional optic cups and retinal pigment epithelium (RPE) from iPSCs with this common CEP290 mutation to investigate disease mechanisms and evaluate candidate therapies. iPSCs differentiated normally into RPE and optic cups, despite abnormal CEP290 splicing and cilia defects. The highest levels of aberrant splicing and cilia defects were observed in optic cups, explaining the retinal-specific manifestation of this CEP290 mutation. Treating optic cups with an antisense morpholino effectively blocked aberrant splicing and restored expression of full-length CEP290, restoring normal cilia-based protein trafficking. These results provide a mechanistic understanding of the retina-specific phenotypes in CEP290 LCA patients and potential strategies for therapeutic intervention.

SUMMARY Human photoreceptors maximise alternative exon splicing to generate a unique set of gene isoforms. Conversely, the inclusion of a cryptic exon caused by the c.2991+1655A>G deep intronic change in CEP290 occurs in the human retina leading to Leber Congenital Amaurosis (LCA10). The RNA-binding protein Musashi-1 (MSI1) is a key component of alternative splicing in the developing mouse retina. Here we investigated the role of MSI1 in human photoreceptor-specific splicing and its potential role in CEP290 aberrant splicing disease. Alternative splicing was studied using human induced pluripotent stem cell derived 3D retinal organoid and RPE RNA-seq datasets and several photoreceptor gene isoforms were identified. Their temporal expression was resolved in control 3D retinal organoids in comparison to development and differentiation markers. Morpholino knockdown of MSI1 in control retinal organoids reduced the expression of several photoreceptor differentiation markers and the inclusion of photoreceptor-specific exons. Nonetheless, MSI1 knockdown in homozygous CEP290 c.2991+1655A>G LCA10 retinal organoids did not affect the inclusion of the LCA10-associated cryptic exon. These results show that while MSI1 is important for photoreceptor alternative splicing and homeostasis, it is not a major driver of the recognition of the CEP290 cryptic splice site and the manifestation of LCA10. HIGHLIGHTS ▪ The human retina expresses a unique set of gene isoforms ▪ Musashi-1 regulates alternative splicing in 3D human retinal organoids ▪ Musashi-1 knockdown in 3D retinal organoids affects gene splicing and homeostasis in photoreceptors ▪ Musashi-1 may regulate alternative splicing of cryptic exons in retina but not in LCA10

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 Summary Phenopolis is an open-source web server which provides an intuitive interface to genetic and phenotypic databases. It integrates analysis tools which include variant filtering and gene prioritisation based on phenotype. The Phenopolis platform will accelerate clinical diagnosis, gene discovery and encourage wider adoption of the Human Phenotype Ontology in the study of rare disease. Availability and Implementation A demo of the website is available at http://phenopolis.github.io (username: demo, password: demo123). If you wish to install a local copy, souce code and installation instruction are available at https://github.com/pontikos/phenopolis . The software is implemented using Python, MongoDB, HTML/Javascript and various bash shell scripts. Contact n.pontikos@ucl.ac.uk Supplementary information http://phenopolis.github.io

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.

RP2 mutations cause a severe form of X-linked retinitis pigmentosa (XLRP). The mechanism of RP2 associated retinal degeneration in humans is unclear, and animal models of RP2 XLRP do not recapitulate this severe phenotype. Here, we developed gene edited isogenic RP2 knock-out (RP2 KO) induced pluripotent stem cells (iPSC) and RP2 patient derived iPSC to produce 3D retinal organoids as a human retinal disease model. Strikingly, the RP2 KO and RP2 patient derived organoids showed a peak in rod photoreceptor cell death at day 150 (D150) with subsequent thinning of the organoid outer nuclear layer (ONL) by D180 of culture. AAV mediated gene augmentation with human RP2 rescued the degeneration phenotype of the RP2 KO organoids, to prevent ONL thinning and restore rhodopsin expression. Notably, these data show that 3D retinal organoids can be used to model photoreceptor degeneration and test potential therapies to prevent photoreceptor cell death.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.