Abstract Charcot-Marie-Tooth disease (CMT) is a genetic peripheral neuropathy caused by mutations in many functionally diverse genes. The aminoacyl-tRNA synthetase (ARS) enzymes, which transfer amino acids to partner tRNAs for protein synthesis, represent the largest protein family genetically linked to CMT aetiology, suggesting pathomechanistic commonalities. Dominant intermediate CMT type C (DI-CMTC) is caused by YARS1 mutations driving a toxic gain-of-function in the encoded tyrosyl-tRNA synthetase (TyrRS), which is mediated by exposure of consensus neomorphic surfaces through conformational changes of the mutant protein. In this study, we first showed that human DI-CMTC-causing TyrRS E196K mis-interacts with the extracellular domain of the BDNF receptor TrkB, an aberrant association we have previously characterised for several mutant glycyl-tRNA synthetases linked to CMT type 2D (CMT2D). We then performed temporal neuromuscular assessments of Yars E196K mice modelling DI-CMT. We determined that Yars E196K homozygotes display a selective, age-dependent impairment in in vivo axonal transport of neurotrophin-containing signalling endosomes, phenocopying CMT2D mice. This impairment is replicated by injection of recombinant TyrRS E196K , but not TyrRS WT , into muscles of wild-type mice. Augmenting BDNF in DI-CMTC muscles, through injection of recombinant protein or muscle-specific gene therapy, resulted in complete axonal transport correction. Therefore, this work identifies a non-cell autonomous pathomechanism common to ARS-related neuropathies, and highlights the potential of boosting BDNF levels in muscles as a therapeutic strategy.

A system enabling the expression of therapeutic proteins specifically in diseased cells would be transformative, providing greatly increased safety and the possibility of pre-emptive treatment. Here we describe 9TDP-REG9, a precision medicine approach primarily for amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD), which exploits the cryptic splicing events that occur in cells with TDP-43 loss-of-function (TDP-LOF) in order to drive expression specifically in diseased cells. In addition to modifying existing cryptic exons for this purpose, we develop a deep-learning-powered algorithm for generating customisable cryptic splicing events, which can be embedded within virtually any coding sequence. By placing part of a coding sequence within a novel cryptic exon, we tightly couple protein expression to TDP-LOF. Protein expression is activated by TDP-LOF in vitro and in vivo, including TDP-LOF induced by cytoplasmic TDP-43 aggregation. In addition to generating a variety of fluorescent and luminescent reporters, we use this system to perform TDP-LOF-dependent genomic prime editing to ablate the UNC13A cryptic donor splice site. Furthermore, we design a panel of tightly gated, autoregulating vectors encoding a TDP-43/Raver1 fusion protein, which rescue key pathological cryptic splicing events. In summary, we combine deep-learning and rational design to create sophisticated splicing sensors, resulting in a platform that provides far safer therapeutics for neurodegeneration, potentially even enabling preemptive treatment of at-risk individuals.