Abstract Induced pluripotent stem cells generated from patients with geographic atrophy as well as healthy individuals were differentiated to retinal pigment epithelium (RPE) cells. By integrating transcriptional profiles of 127,659 RPE cells generated from 43 individuals with geographic atrophy and 36 controls with genotype data, we identified 439 expression Quantitative Trait (eQTL) loci in cis that were associated with disease status and specific to subpopulations of RPE cells. We identified loci linked to two genes with known associations with geographic atrophy - PILRB and PRPH2, in addition to 43 genes with significant genotype x disease interactions that are candidates for novel genetic associations for geographic atrophy. On a transcriptome-only level, we identified molecular pathways significantly upregulated in geographic atrophy-RPE including in extracellular cellular matrix reorganisation, neurodegeneration, and mitochondrial functions. We subsequently implemented a large-scale proteomics analysis, confirming modification in proteins associated with these pathways. We also identified six significant protein (p) QTL that regulate protein expression in the RPE cells and in geographic atrophy - two of which share variants with cis-eQTL. Transcriptome-wide association analysis identified genes at loci previously associated with age-related macular degeneration. Further analysis conditional on disease status, implicated statistically significant RPE-specific eQTL. This study uncovers important differences in RPE homeostasis associated with geographic atrophy.

ABSTRACT To assess the transcriptomic profile of disease-specific cell populations, fibroblasts from patients with primary open-angle glaucoma (POAG) were reprogrammed into induced pluripotent stem cells (iPSCs) before being differentiated into retinal organoids and compared to those from healthy individuals. We performed single-cell RNA-sequencing of a total of 330,569 cells and identified cluster-specific molecular signatures. Comparing the gene expression profile between cases and controls, we identified novel genetic associations for this blinding disease. Expression quantitative trait mapping identified a total of 2,235 significant loci across all cell types, 58 of which are specific to the retinal ganglion cell subpopulations, which ultimately degenerate in POAG. Transcriptome-wide association analysis identified genes at loci previously associated with POAG, and analysis, conditional on disease status, implicated 54 statistically significant retinal ganglion cell-specific expression quantitative trait loci. This work highlights the power of large-scale iPSC studies to uncover context-specific profiles for a genetically complex disease.

Cybrid technology was used to replace Leber hereditary optic neuropathy (LHON) causing mitochondrial DNA (mtDNA) mutations from patient-specific fibroblasts with wildtype mtDNA, and mutation-free induced pluripotent stem cells (iPSCs) were generated subsequently. Retinal ganglion cell (RGC) differentiation demonstrates increased cell death in LHON-RGCs and can be rescued in cybrid corrected RGCs.

Patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs) have tremendous potential for development of regenerative medicine, disease modelling and drug discovery. However, the processes of reprogramming, maintenance and differentiation are labour intensive and subject to inter-technician variability. To address these issues, we established and optimised protocols to allow for the automated maintenance of reprogrammed somatic cells into iPSCs to enable the large-scale culture and passaging of human pluripotent stem cells (PSCs) using a customized TECAN Freedom EVO. Generation of iPSCs was performed offline by nucleofection followed by selection of TRA-1-60 positive cells using a Miltenyi MultiMACS24 Separator. Pluripotency markers were assessed to confirm pluripotency of the generated iPSCs. Passaging was performed using an enzyme-free dissociation method. Proof of concept of differentiation was obtained by differentiating human PSCs into cells of the retinal lineage. Key advantages of this automated approach are the ability to increase sample size, reduce variability during reprogramming or differentiation, and enable medium to high-throughput analysis of human PSCs and derivatives. These techniques will become increasingly important with the emergence of clinical trials using stem cells.

BACKGROUND: Giant cell arteritis (GCA) is the most common form of vasculitis affecting elderly people. It is one of the few true ophthalmic emergencies. GCA is a heterogenous disease, symptoms and signs are variable thereby making it challenging to diagnose and often delaying diagnosis. A temporal artery biopsy is the gold standard to test for GCA, and there are currently no specific biochemical markers to categorize or aid diagnosis of the disease. We aimed to identify a less invasive method to confirm the diagnosis of GCA, as well as to ascertain clinically relevant predictive biomarkers by studying the transcriptome of purified peripheral CD4+ and CD8+ T lymphocytes in patients with GCA. METHODS AND FINDINGS: We recruited 16 patients with histological evidence of GCA at the Royal Victorian Eye and Ear Hospital (RVEEH), Melbourne, Australia, and aimed to collect blood samples at six time points: acute phase, 2-3 weeks, 6-8 weeks, 3 months, 6 months and 12 months after clinical diagnosis. CD4+ and CD8+ T-cells were positively selected at each time point through magnetic-assisted cell sorting (MACS). RNA was extracted from all 195 collected samples for subsequent RNA sequencing. The expression profiles of patients were compared to those of 16 age-matched controls. Over the 12-month study period, polynomial modelling analyses identified 179 and 4 statistically significant transcripts with altered expression profiles (FDR < 0.05) between cases and controls in CD4+ and CD8+ populations, respectively. In CD8+ cells, we identified two transcripts that remained differentially expressed after 12 months, namely SGTB, associated with neuronal apoptosis, and FCGR3A, which has been found in association with Takayasu arteritis (TA), another large vessel vasculitis. We detected genes that correlate with both symptoms and biochemical markers used in the acute setting for predicting long-term prognosis. 15 genes were shared across 3 phenotypes in CD4 and 16 across CD8 cells. In CD8, IL32 was common to 5 phenotypes: a history of Polymyalgia Rheumatica, both visual disturbance and raised neutrophils at the time of presentation, bilateral blindness and death within 12 months. Altered IL32 gene expression could provide risk evaluation of GCA diagnosis at the time of presentation and give an indication of prognosis, which may influence management. CONCLUSIONS: This is the first longitudinal gene expression study undertaken to identify robust transcriptomic biomarkers of GCA. Our results show cell type-specific transcript expression profiles, novel gene-phenotype associations, and uncover important biological pathways for this disease. These data significantly enhance the current knowledge of relevant biomarkers, their association with clinical prognostic markers, as well as potential candidates for detecting disease activity in whole blood samples. In the acute phase, the gene-phenotype relationships we have identified could provide insight to potential disease severity and as such guide us in initiating appropriate patient management.