# name
Precision medicine for rare neuromuscular diseases: clinical, genetic and pathophysiological studies

# metadata.dc.contributor.other[].value
Universitat de Barcelona. Facultat de Biologia

# metadata.dc.description.abstract[].value
[eng] Neuromuscular disorders (NMDs) are a genetically diverse group of diseases affecting muscle and peripheral nerves, with over 600 genes identified to date. Their diagnosis is often complicated by genetic heterogeneity and pleiotropy, where similar symptoms may result from distinct genes, and a single gene can cause a broad range of phenotypes. While clinical suspicion guides initial evaluations, molecular confirmation is key for an accurate diagnosis.

Next generation sequencing (NGS) has revolutionized the diagnostic approach to NMDs. Initially limited to selected cases in research settings, NGS is now routinely used in clinical settings due to improved technology and reduced costs. However, despite these advances, approximately 50% of individuals with NMDs remain without a definitive molecular diagnosis.

This doctoral thesis aimed to reduce this diagnostic gap in individuals with childhood-onset NMDs by implementing a sequential analysis strategy. This approach was applied to affected individuals from the Neuromuscular Disorders Unit (Hospital Sant Joan de Déu, Barcelona) who had previously undergone standard genetic testing with inconclusive results. The study followed a dual strategy: (1) functional validation of candidate variants identified through routine NGS analyses, and (2) the application of multi-omics techniques (trio whole-genome sequencing and RNA sequencing) in cases lacking strong candidate variants.

The results, presented across four publications, illustrate how combining detailed clinical phenotyping with advanced molecular techniques increases diagnostic yield and refines gene–disease associations. In two studies, functional analyses enabled the reclassification of variants of uncertain significance and the identification of novel phenotypic presentations associated with known disease genes (DARS2 and ATL3).
The first publication reveals a novel association between DARS2 and peripheral axonal neuropathy, based on the study of five individuals from three unrelated families who presented biallelic variants in this gene. Previously, DARS2 was only associated with leukoencephalopathy with brain stem and spinal cord involvement and lactate elevation (LBSL). Functional studies in patient-derived fibroblasts confirmed the pathogenicity of the variants, identified a potential hypomorphic allele, and suggested a continuous disease spectrum associated with DARS2, ranging from isolated peripheral neuropathy to more complex phenotypes without typical LBSL features.

The second publication explores two individuals from the same family with isolated motor axonal neuropathy, carrying a heterozygous variant in ATL3, previously associated only with sensory neuropathy. Structural modeling and functional studies revealed a novel pathogenic mechanism involving destabilization of the ATL3 globular domain, impairing ER-mitochondria interactions and autophagic ﬂux. These studies confirmed the pathogenicity of the variant and expanded the ATL3-related disease spectrum.

The remaining two studies report the analysis of 58 cases using a multi-omics strategy and achieving a 40% diagnostic rate. The first publication includes the entire cohort, while the second one describes the identification of a maternal mosaicism in an individual with RYR1-related congenital myopathy. Overall, the findings show how combining multi-omics data with detailed phenotyping can resolve previously unsolved cases.

In conclusion, this thesis demonstrates that, within the framework of personalized medicine and translational research, the integration of clinical, genomic, and pathophysiological investigations contributes significantly to improving the molecular diagnostic yield.

# metadata.dc.description.abstract[].value
[cat] Les malalties neuromusculars (MNM) són un grup genèticament divers d’afeccions que afecten el múscul i els nervis perifèrics, amb més de 600 gens identificats fins avui. El seu diagnòstic sovint es complica per l’heterogeneïtat genètica i la pleiotropia, en què símptomes similars poden ser causats per gens diferents, i un sol gen pot provocar una àmplia gamma de fenotips. Tot i que la sospita clínica guia les avaluacions inicials, la confirmació molecular és clau per a un diagnòstic precís.
La seqüenciació de nova generació (NGS, provinent de les sigles en anglès Next Generation Sequencing) ha revolucionat l’enfocament diagnòstic de les MNM. Inicialment limitada a casos seleccionats en entorns de recerca, actualment la NGS s’utilitza rutinàriament en entorns clínics gràcies a la millora tecnològica i la reducció dels costos. No obstant això, malgrat aquests avenços, aproximadament el 50% dels pacients amb MNM continuen sense un diagnòstic molecular definitiu.
Aquesta tesi doctoral va tenir com a objectiu reduir aquesta bretxa diagnòstica en individus amb MNM d’inici en la infància mitjançant la implementació d’una estratègia d’anàlisi seqüencial. Aquest enfocament es va aplicar a individus afectats de la Unitat de Malalties Neuromusculars (Hospital Sant Joan de Déu, Barcelona) que prèviament havien estat sotmesos a proves genètiques estàndards amb resultats no concloents. L’estudi va seguir una doble estratègia: (1) validació funcional de variants candidates identificades mitjançant anàlisis rutinàries de NGS, i (2) aplicació de tècniques multi-òmiques (seqüenciació del genoma complet en trio i seqüenciació d’ARN) en casos sense variants candidates sòlides.
Els resultats, presentats al llarg de quatre publicacions, mostren com la combinació d’un fenotipatge clínic detallat amb tècniques moleculars avançades incrementa el rendiment diagnòstic i afina les associacions gen-malaltia. En dos estudis, els anàlisis funcionals van permetre re-classificar variants de significat incert i identificar noves presentacions fenotípiques associades a gens de malalties conegudes (DARS2 i ATL3).
La primera publicació revela una nova associació entre DARS2 i la neuropatia axonal perifèrica, basada en l’estudi de cinc individus de tres famílies no relacionades que presentaven variants bial·lèliques en aquest gen. Prèviament, DARS2 només s’havia associat a la leucoencefalopatia amb afectació del tronc cerebral i medul·la espinal i elevació de lactat (LBSL, provinent de les sigles en anglès Leukoencephalopathy with brain stem and spinal cord involvement and lactate elevation). Els estudis funcionals en fibroblasts derivats de pacients van confirmar la patogenicitat de les variants, van identificar un al·lel potencialment hipomòrfic i van suggerir un espectre continu de malaltia associat a DARS2, que va des d’una neuropatia perifèrica aïllada fins a fenotips més complexos sense característiques típiques de la LBSL.
La segona publicació explora dos individus de la mateixa família amb neuropatia axonal motora aïllada, que portaven una variant heterozigota en ATL3, prèviament associat només a neuropatia sensitiva. La modelització estructural i els estudis funcionals van revelar un nou mecanisme patogènic que implica la desestabilització del domini globular d’ATL3, afectant les interaccions entre el reticle endoplasmàtic i les mitocòndries i el ﬂux autofàgic. Aquests estudis van confirmar la patogenicitat de la variant i van ampliar l’espectre de malaltia relacionat amb ATL3.
Els dos estudis restants descriuen l’anàlisi de 58 casos mitjançant una estratègia multi-òmica, assolint una taxa diagnòstica del 40%. La primera publicació inclou tota la cohort, mentre que la segona descriu la identificació d’un mosaicisme matern en un individu amb miopatia congènita relacionada amb RYR1. En conjunt, els resultats mostren com la combinació de dades multi-òmiques amb un fenotipatge detallat pot resoldre casos anteriorment no resolts.
En conclusió, aquesta tesi demostra que, en el marc de la medicina personalitzada i la recerca translacional, la integració de les investigacions clíniques, genòmiques i fisiopatològiques contribueix significativament a millorar el rendiment diagnòstic molecular.

# metadata.dc.rights[].value
cc by-nc-sa (c) Estévez Arias, Berta, 2025

# metadata.dc.title[].value
Precision medicine for rare neuromuscular diseases: clinical, genetic and pathophysiological studies