Usher syndrome type I (USH1) is characterized by deafness, vestibular areflexia, and progressive retinal degeneration. The protein-truncating p.Arg245* founder variant of PCDH15 (USH1F) has an ~2% carrier frequency amongst Ashkenazi Jews accounts for ~60% of their USH1 cases. Here, longitudinal phenotyping in 13 USH1F individuals revealed progressive retinal degeneration, leading to severe vision loss with macular atrophy by the sixth decade. Half of the affected individuals were legally blind by their mid-50s. The mouse Pcdh15 R250X variant is equivalent to human p.Arg245*. Homozygous Pcdh15 R250X mice also have visual deficits and aberrant light-dependent translocation of the phototransduction cascade proteins, arrestin, and transducin. Retinal pigment epithelium (RPE)-specific retinoid cycle proteins, RPE65 and CRALBP, were also reduced in Pcdh15 R250X mice, indicating a dual role for protocadherin-15 in photoreceptors and RPE. Exogenous 9- cis retinal improved ERG amplitudes in Pcdh15 R250X mice, suggesting a basis for a clinical trial of FDA-approved retinoids to preserve vision in USH1F patients.

Abstract De novo transcriptome construction from short-read RNA-seq is a common method for reconstructing mRNA transcripts within a given sample. However, the precision of this process is unclear as it is difficult to obtain a ground-truth measure of transcript expression. With advances in third generation sequencing, full length transcripts of whole transcriptomes can be accurately sequenced to generate a ground-truth transcriptome. We generated long-read PacBio and short-read Illumina RNA-seq data from a human induced pluripotent stem cell- derived retinal pigmented epithelium (iPSC-RPE) cell line. We use long-read data to identify simple metrics for assessing de novo transcriptome construction and optimize a short-read based de novo transcriptome construction pipeline. We apply this this pipeline to construct transcriptomes for 340 short-read RNA-seq samples originating from healthy adult and fetal human retina, cornea, and RPE. We identify hundreds of novel gene isoforms and examine their significance in the context of ocular development and disease.

Abstract The development of highly scalable single cell transcriptome technology has resulted in the creation of thousands of datasets, over 30 in the retina alone. Analyzing the transcriptomes between different projects is highly desirable as this would allow for better assessment of which biological effects are consistent across independent studies. However it is difficult to compare and contrast data across different projects as there are substantial batch effects from computational processing, single cell technology utilized, and the natural biological variation. While many single cell transcriptome specific batch correction methods purport to remove the technical noise it is difficult to ascertain which method functions works best. We developed a lightweight R package (scPOP) that brings in batch integration methods and uses a simple heuristic to balance batch merging and celltype/cluster purity. We use this package along with a Snakefile based workflow system to demonstrate how to optimally merge 766,615 cells from 33 retina datsets and three species to create a massive ocular single cell transcriptome meta-atlas. This provides a model how to efficiently create meta-atlases for tissues and cells of interest.

Abstract Purpose Uveal coloboma is a congenital eye malformation caused by failure of the optic fissure to close in early human development. Despite significant progress in identifying genes whose regulation is important for executing this closure, mutations are detected in a minority of cases using known gene panels, implying additional genetic complexity. We have previously shown knock down of znf503 (the ortholog of mouse Zfp503) in zebrafish causes coloboma. Here we characterize Zfp503 knock out (KO) mice and evaluate transcriptomic profiling of mutant vs. wild-type (WT) retinal pigment epithelium (RPE)/Choroid. Methods Zfp503 KO mice were generated by gene targeting using homologous recombination. Embryos were characterized grossly and histologically. Patterns and level of developmentally relevant proteins/genes were examined with immunostaining/ in situ hybridization. The transcriptomic profile of E11.5 KO RPE/choroid was compared to that of WT. Results Zfp503 is dynamically expressed in developing mouse eyes and that loss of its expression results in uveal coloboma. KO embryos exhibit altered mRNA levels and expression patterns of several key transcription factors involved in eye development, including Otx2, Mitf, Pax6, Pax2, Vax1 and Vax2, resulting in reduced melanin pigmentation in the presumptive RPE and its differentiation into neural-retina-like lineages. Comparison of RNA-Seq data from wild type and KO E11.5 embryos demonstrated reduced expression of melanin-related genes and significant overlap with genes known to be dynamically regulated at the optic fissure. Conclusions These results demonstrate a critical role of Zfp503 in RPE differentiation and in optic fissure closure.

Abstract Biallelic pathogenic variants in the PNPLA6 gene cause a broad spectrum of disorders leading to gait disturbance, visual impairment, anterior hypopituitarism, and hair anomalies. PNPLA6 encodes Neuropathy target esterase (NTE), yet the role of NTE dysfunction on affected tissues in the large spectrum of associated disease remains unclear. We present a clinical meta-analysis of a novel cohort of 23 new patients along with 95 reported individuals with PNPLA6 variants that implicate missense variants as a driver of disease pathogenesis. Measuring esterase activity of 46 disease-associated and 20 common variants observed across PNPLA6 -associated clinical diagnoses unambiguously reclassified 10 variants as likely pathogenic and 36 variants as pathogenic, establishing a robust functional assay for classifying PNPLA6 variants of unknown significance. Estimating the overall NTE activity of affected individuals revealed a striking inverse relationship between NTE activity and the presence of retinopathy and endocrinopathy. This phenomenon was recaptured in vivo in an allelic mouse series, where a similar NTE threshold for retinopathy exists. Thus, PNPLA6 disorders, previously considered allelic, are a continuous spectrum of pleiotropic phenotypes defined by an NTE genotype:activity:phenotype relationship. This relationship and the generation of a preclinical animal model pave the way for therapeutic trials, using NTE as a biomarker.

Abstract The human eye is built from several specialized tissues which direct, capture, and pre-process information to provide vision. The gene expression of the different eye tissues has been extensively profiled with RNA-seq across numerous studies. Large consortium projects have also used RNA-seq to study gene expression patterning across many different human tissues, minus the eye. There has not been an integrated study of expression patterns from multiple eye tissues compared to other human body tissues. We have collated all publicly available healthy human eye RNA-seq datasets as well as dozens of other tissues. We use this fully integrated dataset to probe the biological processes and pan expression relationships between the cornea, retina, RPE-choroid complex, and the rest of the human tissues with differential expression, clustering, and GO term enrichment tools. We also leverage our large collection of retina and RPE-choroid tissues to build the first human weighted gene correlation networks and use them to highlight known biological pathways and eye gene disease enrichment. We also have integrated publicly available single cell RNA-seq data from mouse retina into our framework for validation and discovery. Finally, we make all these data, analyses, and visualizations available via a powerful interactive web application ( https://eyeintegration.nei.nih.gov/ ).

Abstract Usher syndrome type I (USH1) is characterized by congenital deafness, vestibular areflexia, and progressive retinal degeneration with age. The protein-truncating p.Arg245* founder variant of PCDH15 has an ~2% carrier frequency among Ashkenazi Jews, accounting for nearly 60% of their USH1 cases. Here, longitudinal ocular phenotyping in thirteen USH1F individuals harboring the p.Arg245* variant revealed progressive retinal degeneration, leading to severe loss of vision with macular atrophy by the sixth decade. Half of the affected individuals met either the visual acuity or visual field loss definition for legal blindness by the middle of their fifth decade of life. Mice homozygous for p.Arg250* ( Pcdh15 R250X ; equivalent to human p.Arg245*) also have early visual deficits evaluated using electroretinography. Light-dependent translocation of phototransduction cascade proteins, arrestin and transducin, was found to be impaired in Pcdh15 R250X mice. Retinal pigment epithelium-(RPE) specific visual retinoid cycle proteins, RPE65 which converts all- trans retinoids to 11- cis retinoids and CRALBP that transports retinoids, and key retinoid levels were also reduced in Pcdh15 R250X mice, suggesting a dual role for protocadherin-15 in photoreceptors and RPE. Administration of exogenous 9- cis retinal, an analog of the naturally occurring 11- cis retinal, improved ERG amplitudes in these mutant mice, suggesting a basis for a clinical trial of exogenous FDA approved retinoids to preserve vision in USH1F patients. Summary In a preclinical setting studying exogenous retinoids using a novel Usher syndrome mouse model, we describe a potential therapy to treat PCDH15 -mediated visual dysfunction.

ABSTRACT A recent convergence of technological innovations has re-energized the ability to apply genetics to research in human craniofacial development. Next-generation exome and whole genome sequencing have dropped in price significantly making it relatively trivial to sequence and analyze patients and families with congenital craniofacial anomalies. A concurrent revolution in genome editing with the use of the CRISPR-Cas9 system enables the rapid generation of animal models, including mouse, which can precisely recapitulate human variants. Here we summarize the choices currently available to the research community. We illustrate this approach with the study of a family with a novel craniofacial syndrome with dominant inheritance pattern. The genomic analysis suggest a causal variant in AMOTL1 which we modeled in mice. We also made a novel deletion allele of Amotl1 . Our results indicate that Amotl1 is not required in the mouse for survival to weaning. Mice carrying the variant identified in the human sequencing studies, however, do not survive to weaning in normal ratios. The cause of death is not understood for these mice complicating our conclusions about the pathogenicity in the index patient. Thus, we highlight some of the powerful opportunities and confounding factors confronting current craniofacial genetic research.

Abstract Purpose The macula and fovea comprise a highly sensitive visual detection tissue that is susceptible to common disease processes like age-related macular degeneration (AMD). Our understanding of the molecular determinants of high acuity vision remains unclear, as few model organisms possess a human-like fovea. We explore transcription factor networks and receptor-ligand interactions to elucidate tissue interactions in the macula and peripheral retina and concomitant changes in the underlying retinal pigment epithelium (RPE)/choroid. Methods Poly-A selected, 100 bp paired-end RNA-sequencing (RNA-seq) was performed across the macular/foveal, perimacular, and temporal peripheral regions of the neural retina and RPE/choroid tissues of four adult Rhesus macaque eyes to characterize region- and tissue-specific gene expression. RNA-seq reads were mapped to both the macaque and human genomes for maximum alignment and analyzed for differential expression and Gene Ontology (GO) enrichment. Results Comparison of the neural retina and RPE/choroid tissues indicated distinct, contiguously changing gene expression profiles from fovea through perimacula to periphery. Top GO enrichment of differentially expressed genes in the RPE/choroid included cell junction organization and epithelial cell development. Expression of transcriptional regulators and various disease-associated genes show distinct location-specific preference and retina-RPE/choroid tissue-tissue interactions. Conclusions Regional gene expression changes in the macaque retina and RPE/choroid is greater than that found in previously published transcriptome analysis of the human retina and RPE/choroid. Further, conservation of human macula-specific transcription factor profiles and gene expression in macaque tissues suggest a conservation of programs required for retina and RPE/choroid function and disease susceptibility.