The advent of massive parallel sequencing is rapidly changing the strategies employed for the genetic diagnosis and research of rare diseases that involve a large number of genes. So far it is not clear whether these approaches perform significantly better than conventional single gene testing as requested by clinicians. The current yield of this traditional diagnostic approach depends on a complex of factors that include gene-specific phenotype traits, and the relative frequency of the involvement of specific genes. To gauge the impact of the paradigm shift that is occurring in molecular diagnostics, we assessed traditional Sanger-based sequencing (in 2011) and exome sequencing followed by targeted bioinformatics analysis (in 2012) for five different conditions that are highly heterogeneous, and for which our center provides molecular diagnosis. We find that exome sequencing has a much higher diagnostic yield than Sanger sequencing for deafness, blindness, mitochondrial disease, and movement disorders. For microsatellite-stable colorectal cancer, this was low under both strategies. Even if all genes that could have been ordered by physicians had been tested, the larger number of genes captured by the exome would still have led to a clearly superior diagnostic yield at a fraction of the cost.

Abstract Haploinsufficiency of the CACNA1A gene, encoding the pore-forming α1 subunit of P/Q-type voltage-gated calcium channels, is associated with a clinically variable phenotype ranging from cerebellar ataxia, to neurodevelopmental syndromes with epilepsy and intellectual disability. To understand the pathological mechanisms of CACNA1A loss-of-function variants, we characterized a human neuronal model for CACNA1A haploinsufficiency, by differentiating isogenic induced pluripotent stem cell lines into glutamatergic neurons, and investigated the effect of CACNA1A haploinsufficiency on mature neuronal networks through a combination of electrophysiology, gene expression analysis, and in silico modeling. We observed an altered network synchronization in CACNA1A +/− networks alongside synaptic deficits, notably marked by an augmented contribution of GluA2-lacking AMPA receptors. Intriguingly, these synaptic perturbations coexisted with increased non-synaptically driven activity, as characterized by inhibition of NMDA and AMPA receptors on micro-electrode arrays. Single-cell electrophysiology and gene expression analysis corroborated this increased intrinsic excitability through reduced potassium channel function and expression. Moreover, we observed partial mitigation of the CACNA1A +/− network phenotype by 4-aminopyridine, a therapeutic intervention for episodic ataxia type 2. In summary, our study pioneers the characterization of a human induced pluripotent stem cell-derived neuronal model for CACNA1A haploinsufficiency, and has unveiled novel mechanistic insights. Beyond showcasing synaptic deficits, this neuronal model exhibited increased intrinsic excitability mediated by diminished potassium channel function, underscoring its potential as a therapeutic discovery platform with predictive validity.

Structural variants (SVs), including large deletions, duplications, inversions, translocations, and more complex events have the potential to disrupt gene function resulting in rare disease. Nevertheless, current pipelines and clinical decision support systems for exome sequencing (ES) tend to focus on small alterations such as single nucleotide variants (SNVs) and insertions-deletions shorter than 50 base pairs (indels). Additionally, detection and interpretation of large copy-number variants (CNVs) are frequently performed. However, detection of other types of SVs in ES data is hampered by the difficulty of identifying breakpoints in off-target (intergenic or intronic) regions, which makes robust identification of SVs challenging. In this paper, we demonstrate the utility of SV calling in ES resulting in a diagnostic yield of 0.4% (23 out of 5825 probands) for a large cohort of unsolved patients collected by the Solve-RD consortium. Remarkably, 8 out of 23 pathogenic SV were not found by comprehensive read-depth-based CNV analysis, resulting in a 0.13% increased diagnostic value.

Abstract Background Autosomal recessive spastic ataxia of Charlevoix‐Saguenay (ARSACS) and hereditary spastic paraplegia type 7 (SPG7) represent the most common genotypes of spastic ataxia (SPAX). To date, their magnetic resonance imaging (MRI) features have only been described qualitatively, and a pure neuroradiological differential diagnosis between these two conditions is difficult to achieve. Objectives To test the performance of MRI measures to discriminate between ARSACS and SPG7 (as an index of common SPAX disease). Methods In this prospective multicenter study, 3D‐T1‐weighted images of 59 ARSACS (35.4 ± 10.3 years, M/F = 33/26) and 78 SPG7 (54.8 ± 10.3 years, M/F = 51/27) patients of the PROSPAX Consortium were analyzed, together with 30 controls (45.9 ± 16.9 years, M/F = 15/15). Different linear and surface measures were evaluated. A receiver operating characteristic analysis was performed, calculating area under the curve (AUC) and corresponding diagnostic accuracy parameters. Results The pons area proved to be the only metric increased exclusively in ARSACS patients ( P = 0.02). Other different measures were reduced in ARSACS and SPG7 compared with controls (all with P ≤ 0.005). A cut‐off value equal to 1.67 of the pons‐to‐superior vermis area ratio proved to have the highest AUC (0.98, diagnostic accuracy 93%, sensitivity 97%) in discriminating between ARSACS and SPG7. Conclusions Evaluation of the pons‐to‐superior vermis area ratio can discriminate ARSACS from other SPAX patients, as exemplified here by SPG7. Hence, we hereby propose this ratio as the Magnetic Resonance Index for the Assessment and Recognition of patients harboring SACS mutations (MRI‐ARSACS), a novel diagnostic tool able to identify ARSACS patients and useful for discriminating ARSACS from other SPAX patients undergoing MRI. © 2024 International Parkinson and Movement Disorder Society.

Spinocerebellar Ataxia Type 7 (SCA7) is an autosomal dominantly inherited disorder, primarily characterized by cerebellar ataxia and visual loss. SCA7 is caused by a CAG repeat expansion in exon 3 of the ATXN7 gene. We generated human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) from peripheral blood-derived erythroblasts from two SCA7 patients (LUMCi051-A,B and LUMCi052-A,B,C) using integration-free episomal vectors. All hiPSC clones express pluripotency factors, show a normal karyotype, and can differentiate into the three germ layers. These lines can be used for in vitro disease modeling and therapy testing.

Spinocerebellar ataxia type 3 (SCA3) is a neurodegenerative disease characterized by increasingly worsening ataxia and non-ataxia features, negatively impacting patients' quality of life. This study was designed to test formally evaluate whether oral trehalose was effective in SCA3 patients.

With targeted treatment trials on the horizon, identification of sensitive and valid outcome measures becomes a priority for >100 spastic ataxias. While digital-motor measures, assessed using wearable sensors, are considered prime outcome candidates for spastic ataxias, genotype-specific validation studies are lacking. We here aimed to identify candidate digital-motor outcomes for spastic paraplegia type 7 (SPG7)-one of the most common spastic ataxias-that (1) reflect patient-relevant health aspects, even in mild, trial-relevant disease stages; (2) are suitable for a multicenter setting; and (3) assess mobility also during uninstructed walking simulating real life.

Abstract Spinocerebellar ataxia type 3 (SCA3), a neurodegenerative disorder caused by a CAG expansion in the ATXN3 gene, is the most common spinocerebellar ataxia subtype worldwide. Currently, there is no therapy to stop or prevent disease progression. Promising therapeutic strategies are emerging, but their translation into clinical practice requires sensitive and reliable biomarkers. Blood circulating extracellular vesicles constitute a promising source of biomarkers with potential to track alterations of the central nervous system due to their ability to cross the blood brain barrier. Here, we perform sequencing analysis of small RNAs from plasma-derived extracellular vesicles from SCA3 mutation carriers (10 pre-ataxic and 10 ataxic) and 12 control subjects to identify potential RNA biomarker candidates for this disease. Data showed that plasma-derived extracellular vesicles from ataxic SCA3 mutation carriers are enriched in mitochondrial, nuclear, and nucleolar RNA biotypes compared to pre-ataxic and control subjects. Moreover, ataxic mutation carriers could be discriminated from control and pre-ataxic subjects based on the miRNAs or piRNAs content, but not tRNA. Furthermore, we identified a subset of differentially expressed miRNAs and piRNAs that clearly differentiate ataxic mutation carriers from pre-ataxic and control subjects. These findings open new avenues for further investigation on the role of these RNAs in the pathogenesis of SCA3 and their potential as biomarkers for this disease.

Objectives Spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1) is a rare autosomal dominant neurodegenerative disease. Objective surrogate markers sensitive to detect changes in disease severity are needed to reduce sample sizes in interventional trials and identification of predictors of faster disease progression would facilitate patient selection, enrichment, or stratification in such trials. Methods We performed a prospective 1‐year longitudinal, multimodal study in 34 ataxic SCA1 individuals and 21 healthy controls. We collected clinical, patient‐reported outcomes, biochemical and magnetic resonance (MR) biomarkers at baseline and after 1 year. We determined 1‐year progression and evaluated the potential predictive value of several baseline markers on 1‐year disease progression. Results At baseline, multiple structural and spectroscopic MR markers in pons and cerebellum differentiated SCA1 from healthy controls and correlated with disease severity. Plasma and cerebrospinal fluid (CSF) neurofilament light (NfL) chain and CSF glial fibrillary acidic protein (GFAP) were elevated in SCA1. In longitudinal analysis, total brainstem and pontine volume change, inventory of non‐ataxia signs (INAS) count, and SCA functional index (SCAFI) showed larger responsiveness compared to the Scale for Assessment and Rating of Ataxia (SARA). Longer disease duration, longer non‐expanded CAG repeat length, and higher disease burden were associated with faster SARA increase after 1‐year in the SCA1 group. Similarly, lower baseline brainstem, pontine, and cerebellar volumes, as well as lower levels of N‐acetylaspartate and glutamate in the cerebellar white matter, were also associated with faster SARA increase. Interpretation Our results guide the selection of the most sensitive measures of disease progression in SCA1 and have identified features associated with accelerated progression that could inform the design of clinical trials. ANN NEUROL 2024