Genome sequencing is often pivotal in the diagnosis of rare diseases, but many of these conditions lack specific treatments. We describe how molecular diagnosis of a rare, fatal neurodegenerative condition led to the rational design, testing, and manufacture of milasen, a splice-modulating antisense oligonucleotide drug tailored to a particular patient. Proof-of-concept experiments in cell lines from the patient served as the basis for launching an "N-of-1" study of milasen within 1 year after first contact with the patient. There were no serious adverse events, and treatment was associated with objective reduction in seizures (determined by electroencephalography and parental reporting). This study offers a possible template for the rapid development of patient-customized treatments. (Funded by Mila's Miracle Foundation and others.).

Abstract Adaptive thermogenesis is a key homeostatic mechanism that primarily occurs in brown adipocytes and enables the maintenance of body temperature. Although this process involves coordinated responses in multiple tissues, including the browning of white adipocytes, the precise inter-organ crosstalk underlying adaptive thermogenesis is unclear. Here, we investigate the pivotal role of the GDNF family receptor alpha-like (GFRAL) neuronal axis in modulating compensatory thermogenic responses in brown and white adipose depots under stress conditions, specifically the mitochondrial unfolded protein response resulting from genetic modification and cold exposure. We employed a mouse model with targeted deletion of Crif1 in the mitoribosomes of brown adipocytes, and cold-exposed mice and immortalized adipocytes, to uncover the mechanism by which mitochondrial stress-induced growth differentiation factor 15 (GDF15) expression affects metabolism and facilitates adaptive thermogenesis. We found that Crif1 deletion resulted in browning of inguinal white adipose depots, increased energy expenditure, reduced food intake, and resistance to weight gain. Retrograde neuronal tracing established that GFRAL-positive neurons in the hindbrain and sympathetic preganglionic neurons in the spinal cord mediated the GDF15-associated browning of inguinal white adipose tissue. Intervention studies using antisense oligonucleotides to inhibit Gfral expression blunted the effect of Crif1 deletion on energy expenditure and food intake, further confirming the essential role the GFRAL axis plays in GDF15-driven thermogenic adaptation in white adipose tissue. Our findings suggest that the GFRAL neuronal axis is key in coordinating the adaptive thermogenic response across multiple tissues and adipose depots, thereby ensuring metabolic homeostasis during mitochondrial stress.

Abstract Steric-blocking oligonucleotides (SBOs) are short, single-stranded nucleic acids designed to modulate gene expression by binding to mRNA and blocking access from cellular machinery such as splicing factors. SBOs have the potential to bind to near-complementary sites in the transcriptome, causing off-target effects. In this study, we used RNA-seq to evaluate the off-target differential splicing events of 81 SBOs and differential expression events of 46 SBOs. Our results suggest that differential splicing events are predominantly hybridization-driven, while differential expression events are more common and driven by other mechanisms. We further evaluated the performance of in silico screens for off-target events, and found an edit distance cutoff of three to result in a sensitivity of 14% and false discovery rate of 99%. A machine learning model incorporating splicing predictions substantially improved the ability to prioritize low edit distance hits, increasing sensitivity from 4% to 26% at a fixed FDR. Despite these large improvements in performance, the approach does not detect the majority of events at a false discovery rate below 99%. Our results suggest that in silico methods are currently of limited use for predicting the off-target effects of SBOs.