Gene-panel and whole-exome analyses are now standard methodologies for mutation detection in Mendelian disease. However, the diagnostic yield achieved is at best 50%, leaving the genetic basis for disease unsolved in many individuals. New approaches are thus needed to narrow the diagnostic gap. Whole-genome sequencing is one potential strategy, but it currently has variant-interpretation challenges, particularly for non-coding changes. In this study we focus on transcriptome analysis, specifically total RNA sequencing (RNA-seq), by using monogenetic neuromuscular disorders as proof of principle. We examined a cohort of 25 exome and/or panel "negative" cases and provided genetic resolution in 36% (9/25). Causative mutations were identified in coding and non-coding exons, as well as in intronic regions, and the mutational pathomechanisms included transcriptional repression, exon skipping, and intron inclusion. We address a key barrier of transcriptome-based diagnostics: the need for source material with disease-representative expression patterns. We establish that blood-based RNA-seq is not adequate for neuromuscular diagnostics, whereas myotubes generated by transdifferentiation from an individual's fibroblasts accurately reflect the muscle transcriptome and faithfully reveal disease-causing mutations. Our work confirms that RNA-seq can greatly improve diagnostic yield in genetically unresolved cases of Mendelian disease, defines strengths and challenges of the technology, and demonstrates the suitability of cell models for RNA-based diagnostics. Our data set the stage for development of RNA-seq as a powerful clinical diagnostic tool that can be applied to the large population of individuals with undiagnosed, rare diseases and provide a framework for establishing minimally invasive strategies for doing so. Gene-panel and whole-exome analyses are now standard methodologies for mutation detection in Mendelian disease. However, the diagnostic yield achieved is at best 50%, leaving the genetic basis for disease unsolved in many individuals. New approaches are thus needed to narrow the diagnostic gap. Whole-genome sequencing is one potential strategy, but it currently has variant-interpretation challenges, particularly for non-coding changes. In this study we focus on transcriptome analysis, specifically total RNA sequencing (RNA-seq), by using monogenetic neuromuscular disorders as proof of principle. We examined a cohort of 25 exome and/or panel "negative" cases and provided genetic resolution in 36% (9/25). Causative mutations were identified in coding and non-coding exons, as well as in intronic regions, and the mutational pathomechanisms included transcriptional repression, exon skipping, and intron inclusion. We address a key barrier of transcriptome-based diagnostics: the need for source material with disease-representative expression patterns. We establish that blood-based RNA-seq is not adequate for neuromuscular diagnostics, whereas myotubes generated by transdifferentiation from an individual's fibroblasts accurately reflect the muscle transcriptome and faithfully reveal disease-causing mutations. Our work confirms that RNA-seq can greatly improve diagnostic yield in genetically unresolved cases of Mendelian disease, defines strengths and challenges of the technology, and demonstrates the suitability of cell models for RNA-based diagnostics. Our data set the stage for development of RNA-seq as a powerful clinical diagnostic tool that can be applied to the large population of individuals with undiagnosed, rare diseases and provide a framework for establishing minimally invasive strategies for doing so.

Merosin-deficient congenital muscular dystrophy (MDC1A) is an autosomal recessive disorder caused by mutations in the LAMA2 gene, resulting in a defective form of the extracellular matrix protein laminin-α2 (LAMA2). Individuals diagnosed with MDC1A exhibit progressive muscle wasting and declining neuromuscular functions. No treatments for this disorder are currently available. We previously showed that postnatal Lama1 upregulation, achieved through CRISPR activation (CRISPRa), compensates for Lama2 deficiency and prevents neuromuscular pathophysiology in a mouse model of MDC1A. In this study, we assessed the feasibility of upregulating human LAMA1 as a potential therapeutic strategy for individuals with MDC1A, regardless of their mutations. We hypothesized that CRISPRa-mediated upregulation of human LAMA1 would compensate for the lack of LAMA2 and rescue cellular abnormalities in MDC1A fibroblasts. Global transcriptomic and pathway enrichment analyses of fibroblasts collected from individuals carrying pathogenic LAMA2 mutations, compared with healthy controls, indicated higher expression of transcripts encoding proteins that contribute to wound healing, including Transforming Growth Factor-β (TGF-β) and Fibroblast Growth Factor (FGF). These findings were supported by wound-healing assays indicating that MDC1A fibroblasts migrated significantly more rapidly than the controls. Subsequently, we treated the MDC1A fibroblasts with SadCas9-2XVP64 and sgRNAs targeting the LAMA1 promoter. We observed robust LAMA1 expression, which was accompanied by significant decreases in cell migration and expression of FGFR2, TGF-β2, and ACTA2, which are involved in the wound-healing mechanism in MDC1A fibroblasts. Collectively, our data suggest that CRISPRa-mediated LAMA1 upregulation may be a feasible mutation-independent therapeutic approach for MDC1A. This strategy might be adapted to address other neuromuscular diseases and inherited conditions in which strong compensatory mechanisms have been identified.

Identification of protective and/or pathogenic genetic modifiers provides important insight into the heterogeneity of disease presentations in individuals affected by neuromuscular disorders (NMDs), despite having well-defined pathogenic variants. Targeting modifier genes to improve disease phenotypes could be especially beneficial in cases where the causative genes are large, structurally complex and the mutations are heterogeneous. Here, we report a mutation-independent strategy to upregulate expression of a compensatory disease-modifying gene in Congenital Muscular Dystrophy type 1A (MDC1A) using a CRISPR/dCas9-based transcriptional activation system. MDC1A is caused by nonfunctional Laminin α2, which compromises muscle fibers stability and axon myelination in peripheral nerves. Transgenic overexpression of Lama1, encoding a structurally similar protein Laminin α1, ameliorates muscle wasting and paralysis in the MDC1A mouse models, demonstrating its role as a protective disease modifier. Yet, upregulation of Lama1 as a postnatal gene therapy is hampered by its large size, which exceeds the current genome packaging capacity of clinically relevant delivery vehicles such as adeno-associated viral vectors (AAVs). In this study, we sought to upregulate Lama1 using CRISPR/dCas9-based transcriptional activation system, comprised of catalytically inactive S. aureus Cas9 (dCas9) fused to VP64 transactivation domains and sgRNAs targeting the Lama1 promoter. We first demonstrated robust upregulation of Lama1 in myoblasts, and following AAV9-mediated intramuscular delivery, in skeletal muscles of dy2j/dy2j mouse model of MDC1A. We therefore assessed whether upregulation of Lama1 would yield therapeutic benefits in dy2j/dy2j mice. When the intervention was started early in pre-symptomatic dy2j/dy2j mice, Lama1 upregulation prevented muscle fibrosis and hindlimb paralysis. An important question for future therapeutic approaches for a variety of disorders concerns the therapeutic window and phenotypic reversibility. This is particularly true for muscular dystrophies as it has long been hypothesized that fibrotic changes in skeletal muscle represent an irreversible disease state that would impair any therapeutic intervention at advanced stages of the disease. Here, we demonstrate that dystrophic features and disease progression were significantly improved and partially reversed when the treatment was initiated in symptomatic 3-week old dy2j/dy2j mice with already-apparent hind limb paralysis and significant muscle fibrosis. Collectively, our data demonstrate the feasibility and therapeutic benefit of CRISPR/dCas9-mediated modulation of a disease modifier gene, which opens up an entirely new and mutation-independent treatment approach for all MDC1A patients. Moreover, this treatment strategy provides evidence that muscle fibrosis can be reversible, thus extending the therapeutic window for this disorder. Our data provide a proof-of-concept strategy that can be applied to a variety of disease modifier genes and a powerful therapeutic approach for various inherited and acquired diseases.

Abstract Polyamines (putrescine, spermidine, and spermine) are essential molecules for normal cellular functions and are subject to strict metabolic regulation. Mutations in the gene encoding spermine synthase (SMS) lead to accumulation of spermidine in an X-linked recessive disorder known as Snyder-Robinson syndrome (SRS). Presently, no treatments exist for this rare disease that manifests with a spectrum of symptoms including intellectual disability, developmental delay, thin habitus, and low muscle tone. The development of therapeutic interventions for SRS will require a suitable disease-specific animal model that recapitulates many of the abnormalities observed in patients. Here, we characterize the molecular, behavioral, and neuroanatomical features of a mouse model with a missense mutation in Sms gene that results in a glycine-to-serine substitution at position 56 (G56S) of the SMS protein. Mice harboring this mutation exhibit a complete loss of SMS protein and elevated spermidine/spermine ratio in skeletal muscles and the brain. In addition, the G56S mice demonstrate increased anxiety, impaired learning, and decreased explorative behavior in fear conditioning, Morris water maze, and open field tests, respectively. Furthermore, these mice failed to gain weight over time and exhibit abnormalities in brain structure and bone density. Transcriptomic analysis of the cerebral cortex revealed downregulation of genes associated with mitochondrial oxidative phosphorylation and ribosomal protein synthesis. Our findings also revealed impaired mitochondrial bioenergetics in fibroblasts isolated from the G56S mice, indicating a correlation between these processes in the affected mice. Collectively, our findings establish the first in-depth characterization of an SRS preclinical mouse model that identifies cellular processes that could be targeted for future therapeutic development.