Adenoviruses are used extensively as gene transfer agents, both experimentally and clinically. However, targeting of liver cells by adenoviruses compromises their potential efficacy. In cell culture, the adenovirus serotype 5 fiber protein engages the coxsackievirus and adenovirus receptor (CAR) to bind cells. Paradoxically, following intravascular delivery, CAR is not used for liver transduction, implicating alternate pathways. Recently, we demonstrated that coagulation factor (F)X directly binds adenovirus leading to liver infection. Here, we show that FX binds to the Ad5 hexon, not fiber, via an interaction between the FX Gla domain and hypervariable regions of the hexon surface. Binding occurs in multiple human adenovirus serotypes. Liver infection by the FX-Ad5 complex is mediated through a heparin-binding exosite in the FX serine protease domain. This study reveals an unanticipated function for hexon in mediating liver gene transfer in vivo.

Abstract Transduction with recombinant adeno-associated virus (AAV) vectors is limited by the need to convert its single-stranded (ss) genome to transcriptionally active double-stranded (ds) forms. For AAV-mediated hemophilia B (HB) gene therapy, we have overcome this obstacle by constructing a liver-restricted mini–human factor IX (hFIX) expression cassette that can be packaged as complementary dimers within individual AAV particles. Molecular analysis of murine liver transduced with these self-complementary (sc) vectors demonstrated rapid formation of active ds-linear genomes that persisted stably as concatamers or monomeric circles. This unique property resulted in a 20-fold improvement in hFIX expression in mice over comparable ssAAV vectors. Administration of only 1 × 1010 scAAV particles led to expression of hFIX at supraphysiologic levels (8I U/mL) and correction of the bleeding diathesis in FIX knock-out mice. Of importance, therapeutic levels of hFIX (3%-30% of normal) were achieved in nonhuman primates using a significantly lower dose of scAAV than required with ssAAV. Furthermore, AAV5-pseudotyped scAAV vectors mediated successful transduction in macaques with pre-existing immunity to AAV8. Hence, this novel vector represents an important advance for hemophilia B gene therapy.

Abstract Argininosuccinate lyase (ASL) is a key enzyme integral to the hepatic urea cycle which is required for ammonia detoxification, and the citrulline-nitric oxide (NO) cycle for NO production. ASL deficient patients present with argininosuccinic aciduria (ASA), an inherited metabolic disease with hyperammonaemia and a chronic systemic phenotype with neurocognitive impairment and chronic liver disease. ASL deficiency as an inherited model of systemic NO deficiency, shows enhanced nitrosative and oxidative stress. Here, we describe the dysregulation of glutathione biosynthesis and upstream cysteine utilization in ASL-deficient patients and mice using targeted metabolomics and in vivo positron emission tomography (PET) imaging using ( S )-4-(3- 18 F-fluoropropyl)-L-glutamate ([ 18 F]FSPG). Upregulation of cysteine metabolism contrasted with glutathione depletion and down-regulated antioxidant pathways. hASL mRNA encapsulated in lipid nanoparticles corrected and rescued the neonatal and adult Asl-deficient mouse phenotypes, respectively, enhancing ureagenesis and glutathione metabolism and ameliorating chronic liver disease. We further present [ 18 F]FSPG PET as a novel non-invasive diagnostic tool to assess liver disease and therapeutic efficacy in ASA. These findings support clinical translation of mRNA therapy for ASA.

ABSTRACT Urea cycle disorders (UCD) are inherited defects in clearance of waste nitrogen with high morbidity and mortality. Novel and more effective therapies for UCD are needed. Studies in mice with constitutive activation of autophagy unraveled Beclin-1 as druggable candidate for therapy of hyperammonemia. Next, we investigated efficacy of cell penetrating autophagy inducing Tat-Beclin-1 (TB-1) peptide for therapy of the two most common UCD, namely ornithine transcarbamylase (OTC) and argininosuccinate lyase (ASL) deficiencies. TB-1 reduced urinary orotic acid and hyperammonemia, and improved survival under protein-rich diet in spf-ash mice, a model of OTC deficiency (proximal UCD). In Asl Neo/Neo mice, a model of ASL deficiency (distal UCD), TB-1 increased ureagenesis, reduced argininosuccinate, and improved survival. Moreover, it alleviated hepatocellular injury and decreased both cytoplasmic and nuclear glycogen accumulation in Asl Neo/Neo mice. In conclusion, Beclin-1-dependent activation of autophagy improved biochemical and clinical phenotypes of proximal and distal defects of the urea cycle.

ABSTRACT Argininosuccinate lyase (ASL) belongs to the liver-based urea cycle detoxifying ammonia, and the citrulline-nitric oxide cycle synthesising nitric oxide (NO). ASL-deficient patients present argininosuccinic aciduria characterised by hyperammonaemia and a multi-organ disease with neurocognitive impairment. Current therapeutic guidelines aim to control ammonaemia without considering the systemic NO imbalance. Here, we observed a neuronal disease with oxidative/nitrosative stress in ASL-deficient mouse brains. A single systemic injection of gene therapy mediated by an adeno-associated viral vector serotype 8 (AAV8) in adult or neonatal mice demonstrated the long-term correction of the urea cycle and the citrulline-NO cycle in the brain, respectively. The neuronal disease persisted if ammonaemia only was normalised but was dramatically reduced after correction of both ammonaemia and neuronal ASL activity. This was correlated with behavioural improvement and a decrease of the cortical cell death rate. Thus, the cerebral disease in argininosuccinic aciduria involves neuronal oxidative/nitrosative stress not mediated by hyperammonaemia, which is reversed by AAV gene transfer targeting the brain and the liver, acting on two different metabolic pathways via a single vector delivered systemically. This approach provides new hope for hepatocerebral metabolic diseases.

Abstract We have previously designed a library of lentiviral vectors to generate somatic-transgenic rodents to monitor signalling pathways in diseased organs using whole-body bioluminescence imaging, in conscious, freely moving rodents. We have now expanded this technology to adeno-associated viral vectors. We first explored bio-distribution by assessing GFP expression after neonatal intravenous delivery of AAV8. We observed widespread gene expression in, central and peripheral nervous system, liver, kidney and skeletal muscle. Next, we selected a constitutive SFFV promoter and NFκB binding sequence for bioluminescence and biosensor evaluation. An intravenous injection of AAV8 containing firefly luciferase and eGFP under transcriptional control of either element resulted in strong and persistent widespread luciferase expression. A single dose of LPS-induced a 10-fold increase in luciferase expression in AAV8-NFκB mice and immunohistochemistry revealed GFP expression in cells of astrocytic and neuronal morphology. Importantly, whole-body bioluminescence persisted up to 240 days. To further restrict biosensor activity to the CNS, we performed intracerebroventricular injection of each vector. We observed greater restriction of bioluminescence to the head and spine with both vectors. Immunohistochemistry revealed strongest expression in cells of neuronal morphology. LPS administration stimulated a 4-fold increase over baseline bioluminescence. We have validated a novel biosensor technology in an AAV system by using an NFκB response element and revealed its potential to monitor signalling pathway in a non-invasive manner using a model of LPS-induced inflammation. This technology employs the 3R’s of biomedical animal research, complements existing germline-transgenic models and may be applicable to other rodent disease models with the use of different response elements.

Abstract Background Parkinson’s disease (PD) is a progressive late-onset neurodegenerative disease leading to physical and cognitive decline. Mutations of leucine-rich repeat kinase 2 ( LRRK2 ) are the most common genetic cause of PD. LRRK2 is a complex scaffolding protein with known regulatory roles in multiple molecular pathways. Two prominent examples of LRRK2-modulated pathways are Wingless/Int (Wnt) and nuclear factor of activated T-cells (NFAT) signaling. Both are well described key regulators of immune and nervous system development as well as maturation. The aim of this study was to establish the physiological and pathogenic role of LRRK2 in Wnt and NFAT signaling in the brain, as well as the potential contribution of the non-canonical Wnt/Calcium pathway. Methods In vivo cerebral Wnt and NFATc1 signaling activity was quantified in LRRK2 G2019S mutant knock-in (KI) and LRRK2 knockout (KO) male and female mice with repeated measures over 28 weeks, employing lentiviral luciferase biosensors, and analyzed using a mixed-effect model. To establish spatial resolution, we investigated tissues, and primary neuronal cell cultures from different brain regions combining luciferase signaling activity, immunohistochemistry, qPCR and western blot assays. Results were analyzed by unpaired t-test with Welch’s correction or 2-way ANOVA with post hoc corrections. Results In vivo Wnt signaling activity in LRRK2 KO and LRRK2 G2019S KI mice was increased significantly ∼3-fold, with a more pronounced effect in males (∼4-fold) than females (∼2-fold). NFATc1 signaling was reduced ∼0.5-fold in LRRK2 G2019S KI mice. Brain tissue analysis showed region-specific expression changes in Wnt and NFAT signaling components. These effects were predominantly observed at the protein level in the striatum and cerebral cortex of LRRK2 KI mice. Primary neuronal cell culture analysis showed significant genotype-dependent alterations in Wnt and NFATc1 signaling under basal and stimulated conditions. Wnt and NFATc1 signaling was primarily dysregulated in cortical and hippocampal neurons respectively. Conclusions Our study further built on knowledge of LRRK2 as a Wnt and NFAT signaling protein. We identified complex changes in neuronal models of LRRK2 PD, suggesting a role for mutant LRRK2 in the dysregulation of NFAT, and canonical and non-canonical Wnt signaling.

Rare early onset lower urinary tract disorders include defects of functional maturation of the bladder. Current treatments do not target the primary pathobiology of these diseases. Some have a monogenic basis, such as urofacial, or Ochoa, syndrome (UFS). Here, the bladder does not empty fully because of incomplete relaxation of its outflow tract, and subsequent urosepsis can cause kidney failure. UFS is associated with biallelic variants of HPSE2, encoding heparanase-2. This protein is detected in pelvic ganglia, autonomic relay stations that innervate the bladder and control voiding. Bladder outflow tracts of Hpse2 mutant mice display impaired neurogenic relaxation. We hypothesized that HPSE2 gene transfer soon after birth would ameliorate this defect and explored an adeno-associated viral (AAV) vector-based approach. AAV9/HPSE2, carrying human HPSE2 driven by CAG, was administered intravenously into neonatal mice. In the third postnatal week, transgene transduction and expression were sought, and ex vivo myography was undertaken to measure bladder function. In mice administered AAV9/HPSE2, the viral genome was detected in pelvic ganglia. Human HPSE2 was expressed and heparanase-2 became detectable in pelvic ganglia of treated mutant mice. On autopsy, wild-type mice had empty bladders whereas bladders were uniformly distended in mutant mice, a defect ameliorated by AAV9/HPSE2 treatment. Therapeutically, AAV9/HPSE2 significantly ameliorated impaired neurogenic relaxation of Hpse2 mutant bladder outflow tracts. Impaired neurogenic contractility of mutant detrusor smooth muscle was also significantly improved. These results constitute first steps towards curing UFS, a clinically devastating genetic disease featuring a bladder autonomic neuropathy.

Parkinson's disease (PD) is a progressive late-onset neurodegenerative disease leading to physical and cognitive decline. Mutations of leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) are the most common genetic cause of PD. LRRK2 is a complex scaffolding protein with known regulatory roles in multiple molecular pathways. Two prominent examples of LRRK2-modulated pathways are Wingless/Int (Wnt) and nuclear factor of activated T-cells (NFAT) signaling. Both are well described key regulators of immune and nervous system development as well as maturation. The aim of this study was to establish the physiological and pathogenic role of LRRK2 in Wnt and NFAT signaling in the brain, as well as the potential contribution of the non-canonical Wnt/Calcium pathway. In vivo cerebral Wnt and NFATc1 signaling activity was quantified in LRRK2 G2019S mutant knock-in (KI) and LRRK2 knockout (KO) male and female mice with repeated measures over 28 weeks, employing lentiviral luciferase biosensors, and analyzed using a mixed-effect model. To establish spatial resolution, we investigated tissues, and primary neuronal cell cultures from different brain regions combining luciferase signaling activity, immunohistochemistry, qPCR and western blot assays. Results were analyzed by unpaired t-test with Welch's correction or 2-way ANOVA with post hoc corrections. In vivo Wnt signaling activity in LRRK2 KO and LRRK2 G2019S KI mice was increased significantly ~ threefold, with a more pronounced effect in males (~ fourfold) than females (~ twofold). NFATc1 signaling was reduced ~ 0.5-fold in LRRK2 G2019S KI mice. Brain tissue analysis showed region-specific expression changes in Wnt and NFAT signaling components. These effects were predominantly observed at the protein level in the striatum and cerebral cortex of LRRK2 KI mice. Primary neuronal cell culture analysis showed significant genotype-dependent alterations in Wnt and NFATc1 signaling under basal and stimulated conditions. Wnt and NFATc1 signaling was primarily dysregulated in cortical and hippocampal neurons respectively. Our study further built on knowledge of LRRK2 as a Wnt and NFAT signaling protein. We identified complex changes in neuronal models of LRRK2 PD, suggesting a role for mutant LRRK2 in the dysregulation of NFAT, and canonical and non-canonical Wnt signaling.

Abstract Recently approved adeno-associated viral (AAV) vectors for liver monogenic diseases hemophilia A and B are exemplifying the success of liver-directed viral gene therapy. In parallel, additional strategies are rapidly emerging to overcome some inherent AAV limitations, such as non-persistence of episomal transgene in rapidly growing liver and immune response. Integrating lentiviral vectors and non-viral lipid nanoparticles encapsulating mRNA (LNP-mRNA) are rapidly being developed, currently at preclinical and clinical stages respectively. Macrophages are first effector cells of the innate immune response triggered by gene therapy vectors. Macrophage uptake and activation following administration of viral gene therapy and LNPs has been reported. In this study, we assessed the biodistribution of AAV, lentiviral and LNP-mRNA gene therapy following inhibition of tissue macrophages by clodronate liposomes in neonatal and juvenile mice. Juvenile clodronate-treated mice showed significant increase of lentiviral-transduced hepatocytes, and increasing trend of transduction was shown in neonatally-injected mice. In contrast, AAV- and LNP-mRNA-treated neonatal and juvenile animals did not show significant increase of liver biodistribution following clodronate administration. These findings will have translational application for liver-targeting gene therapy programmes.