Abstract Nephrocystin (NPHP1) is a ciliary transition zone protein and its ablation causes nephronophthisis (NPHP) with partially penetrant retinal dystrophy. However, the precise requirements of NPHP1 in photoreceptors are not well understood. Here, we characterize retinal degeneration in a mouse model of NPHP1 and show that NPHP1 is required to prevent infiltration of inner segment plasma membrane proteins into the outer segment during the photoreceptor maturation. We demonstrate that Nphp1 gene-trap mutant mice, which were previously described as null, are in fact hypomorphs due to the production of a small quantity of functional mRNAs derived from nonsense-associated altered splicing and skipping of two exons including the one harboring the gene-trap. In homozygous mutant animals, inner segment plasma membrane proteins such as syntaxin-3 (STX3), synaptosomal-associated protein 25 (SNAP25), and interphotoreceptor matrix proteoglycan 2 (IMPG2) accumulate in the outer segment when outer segments are actively elongating. This phenotype, however, is spontaneously ameliorated after the outer segment elongation is completed. Retinal degeneration also occurs temporarily during the photoreceptor maturation but stops afterward. We further show that Nphp1 genetically interacts with Cep290 , another NPHP gene, and that a reduction of Cep290 gene dose results in retinal degeneration that continues until adulthood in Nphp1 mutant mice. These findings demonstrate that NPHP1 is required for the confinement of inner segment plasma membrane proteins during the outer segment development, but its requirement diminishes as photoreceptors mature. Our study also suggests that additional mutations in other NPHP genes may influence the penetrance of retinopathy in human NPHP1 patients.

Abstract Adeno-associated virus (AAV) is a safe and efficient gene delivery vehicle for gene therapies. However, its relatively small packaging capacity limits its use as a gene transfer vector. Here, we describe a strategy to deliver large genes that exceed the AAV’s packaging capacity using up to four AAV vectors and the CRE-lox DNA recombination system. We devised novel lox sites by combining non-compatible and reaction equilibrium-modifying lox site variants. These lox sites facilitate sequence-specific and near-unidirectional recombination of AAV vector genomes, enabling efficient reconstitution of up to 16 kb of therapeutic genes in a pre-determined configuration. Using this strategy, we have developed AAV gene therapy vectors to deliver IFT140 , PCDH15 , CEP290 , and CDH23 and demonstrate efficient production of full-length proteins in cultured mammalian cells and mouse retinas. Notably, this approach significantly surpasses the trans-splicing and split-intein-based reconstitution methods in efficiency, requiring lower doses, minimizing or eliminating the production of truncated protein products, and offering flexibility in selecting splitting positions. The CRE-lox approach described here provides a simple and effective platform for producing AAV gene therapy vectors beyond AAV’s packaging capacity.

Mutations in CEP290 cause various ciliopathies involving retinal degeneration. CEP290 proteins localize to the ciliary transition zone and are thought to act as a gatekeeper that controls ciliary protein trafficking. However, precise roles of CEP290 in photoreceptors and pathomechanisms of retinal degeneration in CEP290-associated ciliopathies are not sufficiently understood. Using Cep290 conditional mutant mice, in which the C-terminal myosin-tail homology domain is disrupted after the connecting cilium is assembled, we show that CEP290, more specifically the myosin-tail homology domain of CEP290, is essential for protein confinement between the inner and the outer segments. Inner segment plasma membrane proteins including STX3, SNAP25, and IMPG2 rapidly accumulate in the outer segment upon disruption of the myosin-tail homology domain. In contrast, localization of endomembrane proteins is not altered. Trafficking and confinement of most outer segment-resident proteins appear to be unaffected or only minimally affected in this mouse model. One notable exception is RHO, which exhibits severe mislocalization to inner segments from the initial stage of degeneration. Similar mislocalization phenotypes were observed in rd16 mice. These results suggest that failure of protein confinement at the connecting cilium and consequent accumulation of inner segment membrane proteins in the outer segment combined with insufficient RHO delivery is part of the disease mechanisms that cause retinal degeneration in CEP290-associated ciliopathies. Our study provides insights into the pathomechanisms of retinal degenerations associated with compromised ciliary gates.

ABSTRACT Retinal degeneration is a common clinical feature of ciliopathies, a group of genetic diseases linked to ciliary dysfunction, and gene therapy is an attractive treatment option to prevent vision loss. Although the efficacy of retinal gene therapy is well established by multiple proof-of-concept preclinical studies, its long-term effect, particularly when treatments are given at advanced disease stages, is controversial. Incomplete treatment and intrinsic variability of gene delivery methods may contribute to the variable outcomes. Here, we used a genetic rescue approach to “optimally” treat retinal degeneration at various disease stages and examined the long-term efficacy of gene therapy in a mouse model of ciliopathy. We used a Bardet-Biedl syndrome type 17 (BBS17) mouse model, in which the gene-trap that suppresses Bbs17 (also known as Lztfl1 ) expression can be removed by tamoxifen administration, restoring normal gene expression systemically. Our data indicate that therapeutic effects of retinal gene therapy decrease gradually as treatments are given at later stages. These results suggest the presence of limited time window for successful gene therapy in certain retinal degenerations. Our study also implies that the long-term efficacy of retinal gene therapy may depend on not only the timing of treatment but also other factors such as the function of mutated genes and residual activities of mutant alleles.

ABSTRACT Bardet Biedl Syndrome (BBS) is an autosomal recessive disorder caused by mutations in at least 22 different genes. A constant feature is early onset retinal degeneration leading to blindness, with variable central obesity, polydactyly, renal failure, and developmental anomalies. BBS type 10 (BBS10) is a common form caused by mutations in the BBS10 gene encoding a chaperonin-like protein. There are currently no treatments for the progressive vision loss. To aid in treatment development, a BBS10 mouse model was developed by knocking out the Bbs10 gene. Using optical coherence tomography (OCT), electroretinography (ERG), and a visually guided swim assay (VGSA), we demonstrate that Bbs10 -/- mice have progressive retinal degeneration. Cone electrical function was absent although cones were anatomically present on histology and retained partial function based on VGSA. The retinal outer nuclear layer (photoreceptor nuclei) progressively thinned as demonstrated on OCT and histology, and rod electrical activity decreased over time on ERG. These phenotypes are more rapidly progressive than retinal degeneration in the Bbs1 M390R/M390R knock-in mouse. They are consistent with a cone-rod dystrophy distinct from typical rod-cone degeneration in retinitis pigmentosa and recapitulate aspects of retinal degeneration observed in humans with BBS10. This study has implications for BBS10 gene therapy.