Abstract Phenotypic heterogeneity is a common feature of monogenic neurodevelopmental disorders that can arise from differential severity of missense variants underlying disease, but how distinct alleles impact molecular mechanisms to drive variable disease presentation is not well understood. Here, we investigate missense mutations in the DNA methyltransferase DNMT3A associated with variable overgrowth, intellectual disability, and autism, to uncover molecular correlates of phenotypic heterogeneity in neurodevelopmental disease. We generate a DNMT3A P900L/+ mouse model mimicking a disease mutation with mild-to-moderate severity and compare phenotypic and epigenomic effects with a severe R878H mutation. We show that the P900L mutation leads to disease-relevant overgrowth, obesity, and social deficits shared across DNMT3A disorder models, while the R878H mutation causes more extensive epigenomic disruption leading to differential dysregulation of enhancers elements. We identify distinct gene sets disrupted in each mutant which may contribute to mild or severe disease, and detect shared transcriptomic disruption that likely drives common phenotypes across affected individuals. Finally, we demonstrate that core gene dysregulation detected in DNMT3A mutant mice overlaps effects in other developmental disorder models, highlighting the importance of DNMT3A-deposited methylation in neurodevelopment. Together, these findings define central drivers of DNMT3A disorders and illustrate how variable disruption of transcriptional mechanisms can drive the spectrum of phenotypes in neurodevelopmental disease.

Long non-coding RNAs (lncRNAs) play critical roles in regulating gene expression and cellular processes; however, their roles in musculoskeletal development, disease, and regeneration remain poorly understood. Here, we identified a novel lncRNA, Glycosaminoglycan Regulatory ASsociated Long Non-coDing RNA (GRASLND) as a regulator of mesenchymal stem cell (MSC) chondrogenesis, and we investigated its basic molecular mechanism and its potential application towards regenerative medicine. GRASLND, a primate-specific lncRNA, is upregulated during MSC chondrogenesis and appears to act directly downstream of SRY-Box 9 (SOX9), but not Transforming Growth Factor Beta 3 (TGF-β3). Utilizing the established model of pellet formation for MSC chondrogenesis, we showed that the silencing of GRASLND resulted in lower accumulation of cartilage-like extracellular matrix, while GRASLND overexpression, either via transgene ectopic expression or by endogenous activation via CRISPR, significantly enhanced cartilage matrix production. GRASLND acts to inhibit interferon gamma (IFN-γ) by binding to Eukaryotic Initiation Factor-2 Kinase EIF2AK2. We further demonstrated that GRASLND exhibits a protective effect in engineered cartilage against interferon type II across different sources of chondroprogenitor cells. Our results indicate an important role of GRASLND in regulating stem cell chondrogenesis, as well as its therapeutic potential in the treatment of cartilage-related diseases, such as osteoarthritis.

ABSTRACT Nonunion is defined as the permanent failure of a fractured bone to heal, often necessitating surgical intervention. Atrophic nonunions are a subtype that are particularly difficult to treat. Animal models of atrophic nonunion are available; however, these require surgical or radiation-induced trauma to disrupt periosteal healing. These methods are invasive and not representative of many clinical nonunions where osseous regeneration has been arrested by a “failure of biology”. We hypothesized that arresting osteoblast cell proliferation after fracture would lead to atrophic nonunion in mice. Using mice that express a thymidine kinase (tk) “suicide gene” driven by the 3.6Col1a1 promoter (Col1-tk), proliferating osteoblast lineage cells can be ablated upon exposure to the nucleoside analog ganciclovir (GCV). Wild-type (WT; control) and Col1-tk littermates were subjected to a full femur fracture and intramedullary fixation at 12 weeks age. We confirmed abundant tk+ cells in fracture callus of Col-tk mice dosed with water or GCV, specifically many osteoblasts, osteocytes, and chondrocytes at the cartilage-bone interface. Histologically, we observed altered callus composition in Col1-tk mice at 2 and 3 weeks post fracture, with significantly less bone and more fibrous tissue. Col1-tk mice, monitored for 12 weeks with in vivo radiographs and microCT scans, had delayed bone bridging and reduced callus size. Following sacrifice, ex vivo microCT and histology demonstrated failed union with residual bone fragments and fibrous tissue in Col1-tk mice. Biomechanical testing demonstrated a failure to recover torsional strength in Col1-tk mice, in contrast to WT. Our data indicates that suppression of proliferating osteoblast-lineage cells for at least 2 weeks after fracture blunts the formation and remodeling of a mineralized callus leading to a functional nonunion. We propose this as a new murine model of atrophic nonunion.

Abstract For next generation tissue-engineered constructs and regenerative medicine to succeed clinically, the basic biology and extracellular matrix composition of tissues that these repair techniques seek to restore have to be fully determined. Using the latest reagents coupled with tried and tested methodologies, we continue to uncover previously undetected structural proteins in mature intervertebral disc. In this study we show that the “embryonic” type IIA procollagen isoform (containing a cysteine-rich amino propeptide) was biochemically detectable in the annulus fibrosus of both calf and mature steer intervertebral discs, but not in the nucleus pulposus where the type IIB isoform was predominantly localized. Specifically, the triple-helical type IIA procollagen isoform immunolocalized in the outer margins of the inner annulus fibrosus. Triple helical processed type II collagen exclusively localized within the interlamellae regions and with type IIA procollagen in the intra-lamellae regions. Mass spectrometry of the α1 (II) collagen chains from the region where type IIA procollagen localized showed high 3-hydroxylation of Proline-944, a post-translational modification that is correlated with thin collagen fibrils as in the nucleus pulposus. The findings implicate small diameter fibrils of type IIA procollagen in select regions of the annulus fibrosus where it likely contributes to the organization of collagen bundles and structural properties within the type I-type II collagen transition zone.