Abstract Precise and reliable cell-specific gene delivery remains technically challenging. Here we report a splicing-based approach for controlling gene expression whereby separate translational reading frames are coupled to the inclusion or exclusion of cell-specific alternative exons. Candidate exons are identified by analyzing thousands of publicly available RNA sequencing datasets and filtering by cell specificity, sequence conservation, and local intron length. This method, which we denote splicing-linked expression design (SLED), can be combined in a Boolean manner with existing techniques such as minipromoters and viral capsids. SLED vectors can leverage the strong expression of constitutive promoters, without sacrificing precision, by decoupling the tradeoff between promoter strength and selectivity. We generated SLED vectors to selectively target all neurons, photoreceptors, or excitatory neurons, and demonstrated that specificity was retained in vivo when delivered using AAVs. We further demonstrated the utility of SLED by creating what would otherwise be unobtainable research tools, specifically a GluA2 flip/flop reporter and a dual excitatory/inhibitory neuronal calcium indicator. Finally, we show the translational potential of SLED by rescuing photoreceptor degeneration in Prph2 rds/rds mice and by developing an oncolytic vector that can selectively induce apoptosis in SF3B1 mutant cancer cells. The flexibility of SLED technology enables new avenues for basic and translational research.

Hexanucleotide repeat expansion in the C9ORF72 gene is the most frequent inherited cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). The expansion results in multiple dipeptide repeat proteins, among which arginine-rich poly-GR proteins are highly toxic to neurons and decrease the rate of protein synthesis. We investigated whether the effect on protein synthesis contributes to neuronal dysfunction and degeneration. We found that the expression of poly-GR proteins inhibited global translation by perturbing translation elongation. In iPSC-differentiated neurons, the translation of transcripts with relatively slow elongation rates was further slowed, and stalled, by poly-GR. Elongation stalling increased ribosome collisions and induced a ribotoxic stress response (RSR) mediated by ZAKα that increased the phosphorylation of the kinase p38 and promoted cell death. Knockdown of ZAKα or pharmacological inhibition of p38 ameliorated poly-GR–induced toxicity and improved the survival of iPSC–derived neurons from patients with C9ORF72 -ALS/FTD. Our findings suggest that targeting the RSR may be neuroprotective in patients with ALS/FTD caused by repeat expansion in C9ORF72 .

Expansion of an intronic (GGGGCC)n repeat within the C9ORF72 gene is the most common genetic cause of both frontotemporal dementia (FTD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS) (C9-FTD/ALS), characterized with aberrant repeat RNA foci and noncanonical translation-produced dipeptide repeat (DPR) protein inclusions. Here, we elucidate that the (GGGGCC)n repeat RNA co-localizes with nuclear speckles and alters their phase separation properties and granule dynamics. Moreover, the essential nuclear speckle scaffold protein SRRM2 is sequestered into the poly-GR cytoplasmic inclusions in the C9-FTD/ALS mouse model and patient postmortem tissues, exacerbating the nuclear speckle dysfunction. Impaired nuclear speckle integrity induces global exon skipping and intron retention in human iPSC-derived neurons and causes neuronal toxicity. Similar alternative splicing changes can be found in C9-FTD/ALS patient postmortem tissues. This work identified novel molecular mechanisms of global RNA splicing defects caused by impaired nuclear speckle function in C9-FTD/ALS and revealed novel potential biomarkers or therapeutic targets.