Abstract Mucolipidosis IV (MLIV, OMIM 252650) is an orphan disease leading to debilitating psychomotor deficits and vision loss. It is caused by loss-of-function mutations in the MCOLN1 gene that encodes thethe lysosomal transient receptor potential channel mucolipin 1 (TRPML1). With no existing therapy, the unmet need in this disease is very high. Here we show that AAV-mediated gene transfer of the human MCOLN1 gene rescues motor function and alleviates brain pathology in the Mcoln1 −/− MLIV mouse model. Using the AAV-PHP.b vector for initial proof-of-principle experiments in symptomatic mice, we showed long-term reversal of declined motor function and significant delay of paralysis. Next, we designed self-complimentary AAV9 vector for clinical use and showed that its intracerebroventricular administration in post-natal day 1 mice significantly improved motor function and myelination and reduced lysosomal storage load in the MLIV mouse brain. We also showed that CNS targeted gene transfer is necessary to achieve therapeutic efficacy in this disease. Based on our data and general advancements in the gene therapy field, we propose scAAV9-mediated CSF-targeted MCOLN1 gene transfer as a therapeutic strategy in MLIV.

Abstract Familial dysautonomia (FD) is an autosomal recessive neurodegenerative disease caused by a splicing mutation in the gene encoding Elongator complex protein 1 ( ELP1 , also known as IKBKAP ). This mutation results in tissue-specific skipping of exon 20 with a corresponding reduction of ELP1 protein, predominantly in the central and peripheral nervous system. Although FD patients have a complex neurological phenotype caused by continuous depletion of sensory and autonomic neurons, progressive visual decline leading to blindness is one of the most problematic aspect of the disease, as it severely affects their quality of life. To better understand the disease mechanism as well as to test the in vivo efficacy of targeted therapies for FD, we have recently generated a novel phenotypic mouse model, TgFD9; Elp1 ∆20/flox . This mouse exhibits most of the clinical features of the disease and accurately recapitulates the tissue-specific splicing defect observed in FD patients. Driven by the dire need to develop therapies targeting retinal degeneration in FD, herein, we comprehensively characterized the progression of the retinal phenotype in this mouse, and we demonstrated that it is possible to correct ELP1 splicing defect in the retina using the splicing modulator compound (SMC) BPN-15477.

Pre-mRNA splicing is a key control point in human gene expression. Disturbances in splicing due to mutation or aberrant splicing regulatory networks lead to dysregulated protein expression and contribute to a substantial fraction of human disease. Several classes of active and selective splicing modulator compounds have been recently identified, thus proving that pre-mRNA splicing is a viable target for therapy. We describe herein the identification of BPN-15477, a novel splicing modulator compound, that restores correct splicing of exon 20 in the Elongator complex protein 1 (ELP1) gene carrying the major IVS20+6T>C mutation responsible for familial dysautonomia. We then developed a machine learning approach to evaluate the therapeutic potential of BPN-15477 to correct splicing in other human genetic diseases. Using transcriptome sequencing from compound-treated fibroblast cells, we identified treatment responsive sequence signatures, the majority of which center at the 5-prime splice site of exons whose inclusion or exclusion is modulated by SMC treatment. We then leveraged this model to identify 155 human disease genes that harbor ClinVar mutations predicted to alter pre-mRNA splicing as potential targets for BPN-15477 treatment. Using in vitro splicing assays, we validated representative predictions by demonstrating successful correction of splicing defects caused by mutations in genes responsible for cystic fibrosis (CFTR), cholesterol ester storage disease (LIPA), Lynch syndrome (MLH1) and familial frontotemporal dementia (MAPT). Our study shows that deep learning techniques can identify a complex set of sequence signatures and predict response to pharmacological modulation, strongly supporting the use of in silico approaches to expand the therapeutic potential of drugs that modulate splicing.

ABSTRACT Point mutations and structural variants directly disrupting the coding sequence of MEF2C have been associated with a spectrum of neurodevelopmental disorders (NDDs), while recent studies have also implicated altered noncoding regulation of MEF2C expression in NDDs. However, the impact of haploinsufficiency of MEF2C on neurodevelopmental pathways and synaptic processes is not well understood, nor are the complex mechanisms that govern regulation of MEF2C . To explore the transcriptional and functional changes associated with coding and noncoding structural variants, we generated an allelic series of 204 isogenic iPSC-derived neuronal cell lines harboring CRISPR-engineered mutations that directly delete predominant isoforms of MEF2C , as well as deletions to the boundaries of topologically associating domains (TADs) and chromatin loops encompassing MEF2C . We then performed systematic profiling of mutation-specific alterations to transcriptional signatures, regulatory interactions, chromatin contacts, and electrophysiological effects. Our analyses reveal that direct deletion of MEF2C causes differential expression of genes enriched for neurodevelopmental and synaptic-associated pathways, accompanied by a significant reduction in synaptic firing and synchrony in neurons. By contrast, we observe robust buffering against MEF2C regulatory disruption upon deletion of a distal 5q14.3 TAD and loop boundary; however, homozygous loss of proximal loop boundary resulted in significant down-regulation of MEF2C expression and significantly reduced electrophysiological activity that was comparable to direct MEF2C disruption. Collectively, our findings demonstrate the functional impact of MEF2C haploinsufficiency in human-derived neural models and highlight the complex interactions of gene regulation and chromatin topology that challenge a priori regulatory predictions of structural variant disruption to three-dimensional genome organization.

ABSTRACT Background Reduced copy number of the D4Z4 macrosatellite at human chromosome 4q35 is associated with facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD). A pervasive idea is that chromatin alterations at the 4q35 locus following D4Z4 repeat unit deletion lead to disease via inappropriate expression of nearby genes. Here, we sought to analyze transcription and chromatin characteristics across 4q35 and how these are affected by D4Z4 deletions and exogenous stresses. Results We found that the 4q subtelomere is subdivided into discrete domains, each with characteristic chromatin features associated with distinct gene expression profiles. Centromere-proximal genes within 4q35 ( ANT1 , FAT1 and FRG1) display active histone marks at their promoters. In contrast, poised or repressed markings are present at telomere-proximal loci including FRG2, DBE-T and D4Z4 . We discovered that these discrete domains undergo region-specific chromatin changes upon treatment with chromatin enzyme inhibitors or genotoxic drugs. We demonstrated that the 4q35 telomere-proximal FRG2, DBE-T and D4Z4 -derived transcripts are induced upon DNA damage to levels inversely correlated with the D4Z4 repeat number, are stabilized through post-transcriptional mechanisms upon DNA damage, and are bound to chromatin. Conclusion Our study reveals unforeseen biochemical features of RNAs from clustered transcription units within the 4q35 subtelomere. Specifically, the FRG2, DBE-T and D4Z4 -derived transcripts are chromatin-associated and are stabilized post-transcriptionally after induction by genotoxic stress. Remarkably, the extent of this response is modulated by the copy number of the D4Z4 repeats, raising new hypotheses about their regulation and function in human biology and disease.

Abstract Familial Dysautonomia (FD) is a rare neurodegenerative disease caused by a splicing mutation in the Elongator complex protein 1 gene ( ELP1 ). This mutation leads to the skipping of exon 20 and a tissue-specific reduction of ELP1 protein, mainly in the central and peripheral nervous systems. FD is a complex neurological disorder accompanied by severe gait ataxia and retinal degeneration. There is currently no effective treatment to restore ELP1 protein expression in individuals with FD, and the disease is ultimately fatal. After identifying kinetin as a small molecule able to correct the ELP1 splicing defect, we worked on its optimization to generate novel splicing modulator compounds (SMCs) that can be used in patients. Here, we optimize the potency, efficacy, and bio-distribution of second-generation kinetin derivatives to develop an oral treatment for FD that can efficiently pass the blood-brain barrier and correct the ELP1 splicing defect in the nervous system. We demonstrate that the novel compound, PTC258, efficiently restores correct ELP1 splicing in mouse tissues, including brain, and most importantly, prevents the progressive neuronal degeneration that is characteristic of FD. Postnatal oral administration of PTC258 to the phenotypic mouse model TgFD9;Elp1 Δ20/flox increases full-length ELP1 transcript in a dose-dependent manner and leads to a two-fold increase in functional ELP1 protein in the brain. Remarkably, PTC258 treatment improves survival, gait ataxia, and retinal degeneration in the phenotypic FD mice. Our findings highlight the great therapeutic potential of this novel class of small molecules as an oral treatment for FD.

The capacity to resolve structural variants (SVs) at sequence resolution in highly repetitive genomic regions has long been intractable. Consequently, the properties, origins, and functional effects of multiple classes of complex rearrangement are unknown. To resolve these challenges, we leveraged recent technical milestones: 1) Oxford-Nanopore (ONT) sequencing; 2) the gapless Telomere-to-Telomere (T2T) genome assembly; and 3) a novel tool to discover large-scale rearrangements from long-reads. We applied these technologies across 13 patients with ring chromosomes, Robertsonian translocations, and complex balanced SVs that were unresolved by short-read sequencing. We resolved 10 of 13 events, including ring chromosomes, the complex SVs, and a Robertsonian translocation. Multiple breakpoints were localized to highly repetitive regions inaccessible to short-read alignment, such as acrocentric p-arms, ribosomal DNA arrays, and telomeric repeats, and involved complex structures such as a deletion-inversion and interchromosomal dispersed duplications. We also leveraged ONT native methylation detection to discover phased differential methylation in a gene promoter proximal to a ring fusion site, suggesting a long-range positional effect with heterochromatin spreading. Breakpoint sequences were consistent with common mechanisms of SV formation, including microhomology-mediated mechanisms, non-homologous end-joining, and non-allelic homologous recombination. These methods provide some of the first glimpses into the sequence resolution of ring chromosomes and Robertsonian translocations and illuminate the structural diversity of chromosomal rearrangements with implications for molecular diagnosis and genome biology.

Abstract Elongator is a highly conserved protein complex required for transcriptional elongation, intracellular transport and translation. Elongator complex protein 1 (ELP1) is the scaffolding protein of Elongator and is essential for its assembly and stability. Familial dysautonomia (FD), a hereditary sensory and autonomic neuropathy, is caused by a mutation in ELP1 that lead to a tissue-specific reduction of ELP1 protein. Our work to generate a phenotypic mouse model for FD led to the discovery that homozygous deletion of the mouse Elp1 gene leads to embryonic lethality prior to mid-gestation. Given that FD is caused by a reduction, not loss, of ELP1, we generated two new mouse models by introducing different copy numbers of the human FD ELP1 transgene into the Elp1 knockout mouse ( Elp1 -/- ) and observed that human ELP1 expression rescues embryonic development in a dose dependent manner. We then conducted a comprehensive transcriptome analysis in mouse embryos to identify genes and pathways whose expression correlates with the amount of ELP1 . We found that ELP1 is essential for the expression of genes responsible for the formation and development of the nervous system. Further, gene length analysis of the differentially expressed genes showed that the loss of Elp1 mainly impacts the expression of long genes and that by gradually restoring Elongator their expression is progressively rescued. Finally, through evaluation of co-expression modules, we identified gene sets with unique expression patterns that depended on ELP1 expression. Overall, this study highlights the crucial role of ELP1 during early embryonic neuronal development and reveals gene networks and biological pathways that are regulated by Elongator.

Familial dysautonomia (FD) is a rare recessive neurodevelopmental disease caused by a splice mutation in the Elongator acetyltransferase complex subunit 1 ( ELP1 ) gene. This mutation results in a tissue-specific reduction of ELP1 protein, with the lowest levels in the central and peripheral nervous systems (CNS and PNS, respectively). FD patients exhibit complex neurological phenotypes due to the loss of sensory and autonomic neurons. Disease symptoms include decreased pain and temperature perception, impaired or absent myotatic reflexes, proprioceptive ataxia, and progressive retinal degeneration. While the involvement of the PNS in FD pathogenesis has been clearly recognized, the underlying mechanisms responsible for the preferential neuronal loss remain unknown. In this study, we aimed to elucidate the molecular mechanisms underlying FD by conducting a comprehensive transcriptome analysis of neuronal tissues from the phenotypic mouse model TgFD9 ; Elp1 Δ20/flox . This mouse recapitulates the same tissue-specific ELP1 mis-splicing observed in patients while modeling many of the disease manifestations. Comparison of FD and control transcriptomes from dorsal root ganglion (DRG), trigeminal ganglion (TG), medulla (MED), cortex, and spinal cord (SC) showed significantly more differentially expressed genes (DEGs) in the PNS than the CNS. We then identified genes that were tightly co-expressed and functionally dependent on the level of full-length ELP1 transcript. These genes, defined as ELP1 dose-responsive genes, were combined with the DEGs to generate tissue-specific dysregulated FD signature genes and networks. Within the PNS networks, we observed direct connections between Elp1 and genes involved in tRNA synthesis and genes related to amine metabolism and synaptic signaling. Importantly, transcriptomic dysregulation in PNS tissues exhibited enrichment for neuronal subtype markers associated with peptidergic nociceptors and myelinated sensory neurons, which are known to be affected in FD. In summary, this study has identified critical tissue-specific gene networks underlying the etiology of FD and provides new insights into the molecular basis of the disease.