In vivo delivery of CRISPR-Cas9 corrects mutation in newborn mouse liver. Many genetic liver diseases in newborns cause repeated, often lethal, metabolic crises. Gene therapy using nonintegrating viruses such as adeno-associated virus (AAV) is not optimal in this setting because the nonintegrating genome is lost as developing hepatocytes proliferate1,2. We reasoned that newborn liver may be an ideal setting for AAV-mediated gene correction using CRISPR-Cas9. Here we intravenously infuse two AAVs, one expressing Cas9 and the other expressing a guide RNA and the donor DNA, into newborn mice with a partial deficiency in the urea cycle disorder enzyme, ornithine transcarbamylase (OTC). This resulted in reversion of the mutation in 10% (6.7–20.1%) of hepatocytes and increased survival in mice challenged with a high-protein diet, which exacerbates disease. Gene correction in adult OTC-deficient mice was lower and accompanied by larger deletions that ablated residual expression from the endogenous OTC gene, leading to diminished protein tolerance and lethal hyperammonemia on a chow diet.

A comprehensive knowledge of the types and ratios of microbes that inhabit the healthy human gut is necessary before any kind of pre-clinical or clinical study can be performed that attempts to alter the microbiome to treat a condition or improve therapy outcome. To address this need we present an innovative scalable comprehensive analysis workflow, a healthy human reference microbiome list and abundance profile (GutFeelingKB), and a novel Fecal Biome Population Report (FecalBiome) with clinical applicability. GutFeelingKB provides a list of 157 organisms (8 phyla, 18 classes, 23 orders, 38 families, 59 genera and 109 species) that forms the baseline biome and therefore can be used as healthy controls for studies related to dysbiosis. The incorporation of microbiome science into routine clinical practice necessitates a standard report for comparison of an individual’s microbiome to the growing knowledgebase of “normal” microbiome data. The FecalBiome and the underlying technology of GutFeelingKB address this need. The knowledgebase can be useful to regulatory agencies for the assessment of fecal transplant and other microbiome products, as it contains a list of organisms from healthy individuals. In addition to the list of organisms and abundances the study also generated a list of contigs of metagenomics dark matter. In this study, metagenomic dark matter represents sequences that cannot be mapped to any known sequence but can be assembled into contigs of 10,000 nucleotides or higher. These sequences can be used to create primers to study potential novel organisms. All data is freely available from https://hive.biochemistry.gwu.edu/gfkb and NCBI’s Short Read Archive.

ABSTRACT Deleterious mutations in the X-linked gene encoding ornithine transcarbamylase ( OTC ) cause the most common urea cycle disorder, OTC deficiency. This rare, but highly actionable disease can present with severe neonatal onset in males or with later onset in either sex. Neonatal onset patients appear normal at birth but rapidly develop hyperammonemia, which can progress to cerebral edema, coma and death, outcomes ameliorated by rapid diagnosis and treatment. Existing biochemical assays have limitations, including the sensitivity of the citrulline assays used in newborn screening panels. With prior knowledge of variant pathogenicity, DNA sequence-based diagnostics would provide an alternative screening method. Here, we develop a high throughput functional assay for human OTC and measure the impact of 1,570 variants, 84% of all SNP-accessible missense mutations. Our assay scores agree well with existing clinical significance calls, distinguishing known benign from pathogenic variants and variants with neonatal onset from late-onset disease presentation. Further, use of an intronless expression construct allows us to measure the impact of amino acid changes at splice sites independent of their effect on splicing, thereby separating the contribution of splicing and protein coding changes to aid the analysis of molecular mechanisms underlying pathogenicity. Finally, we assess the utility of our functional data on OTC variant curation by using the current ACMG/AMP guidelines to reclassify variants. Inclusion of our data as PS3/BS3 substantially improves variant interpretation. Thus, our dataset is of high clinical utility and illustrates the power of functional assays to inform interpretation of existing and novel genetic variation.

Abstract Mitochondrial enzymes involved in energy transformation are organized into multiprotein complexes that channel the reaction intermediates for efficient ATP production. Three of the mammalian urea cycle enzymes: N-acetylglutamate synthase (NAGS), carbamylphosphate synthetase 1 (CPS1), and ornithine transcarbamylase (OTC) reside in the mitochondria. Urea cycle is required to convert ammonia into urea and protect the brain from ammonia toxicity. Urea cycle intermediates are tightly channeled in and out of mitochondria, indicating that efficient activity of these enzymes relies upon their coordinated interaction with each other perhaps in a multiprotein complex. This view is supported by mutations in surface residues of the urea cycle proteins that impair urea genesis in the patients but do not affect protein stability or catalytic activity. Further, we find one third of the NAGS, CPS1 and OTC proteins in liver mitochondria can associate with the inner mitochondrial membrane (IMM), and co-immunoprecipitate. Our in silico analysis of vertebrate NAGS proteins, the least abundant of the urea cycle enzymes, identified a region we call ‘variable segment’ present only in the mammalian NAGS protein. We experimentally confirmed that NAGS variable segment mediates the interaction of NAGS with CPS1. Use of Gated-Stimulation Emission Depletion (gSTED) super resolution microscopy showed that in situ, NAGS, CPS1 and OTC are organized into clusters. These results are consistent with mitochondrial urea cycle proteins forming a cluster instead of functioning either independently or in a rigid multienzyme complex.

The urea cycle protects the central nervous system from ammonia toxicity by converting ammonia to non-toxic urea. N-acetylglutamate synthase (NAGS) is an enzyme that catalyzes the formation of N-acetylglutamate (NAG), an allosteric activator of carbamylphosphate synthetase 1 (CPS1), the rate limiting enzyme of the urea cycle. Enzymatic activity of mammalian NAGS doubles in the presence of L-arginine but the physiological significance of NAGS activation by L-arginine is unknown. Previously, we have described the creation of a NAGS knockout (Nags-/-) mouse, which develops hyperammonemia without N-carbamylglutamate and L-citrulline supplementation (NCG+Cit). In order to investigate the effect of L-arginine on ureagenesis in vivo, we used adeno associated virus (AAV) mediated gene transfer to deliver either wild-type or E354A mutant mouse NAGS (mNAGS), which is not activated by L-arginine, to Nags-/- mice. The ability of the E354A mNAGS mutant protein to rescue Nags-/- mice was determined by measuring their activity on the voluntary wheel following NCG+Cit withdrawal. The Nags-/- mice that received E354A mNAGS remained apparently healthy and active but had elevated plasma ammonia concentration despite similar expression levels of the E354A mNAGS and control wild-type NAGS proteins. The corresponding mutation in human NAGS (NP_694551.1:p.E360D) that abolishes binding and activation by L-arginine was also identified in a patient with hyperammonemia due to NAGS deficiency. Taken together, our results suggest that L-arginine binding to the NAGS enzyme is essential for normal ureagenesis.

Abstract A personalized approach based on a patient’s or pathogen’s unique genomic sequence is the foundation of precision medicine. Genomic findings must be robust and reproducible, and experimental data capture should adhere to FAIR guiding principles. Moreover, effective precision medicine requires standardized reporting that extends beyond wet lab procedures to computational methods. The BioCompute framework ( https://osf.io/zm97b/ ) enables standardized reporting of genomic sequence data provenance, including provenance domain, usability domain, execution domain, verification kit, and error domain. This framework facilitates communication and promotes interoperability. Bioinformatics computation instances that employ the BioCompute framework are easily relayed, repeated if needed and compared by scientists, regulators, test developers, and clinicians. Easing the burden of performing the aforementioned tasks greatly extends the range of practical application. Large clinical trials, precision medicine, and regulatory submissions require a set of agreed upon standards that ensures efficient communication and documentation of genomic analyses. The BioCompute paradigm and the resulting BioCompute Objects (BCO) offer that standard, and are freely accessible as a GitHub organization ( https://github.com/biocompute-objects ) following the “Open-Stand.org principles for collaborative open standards development”. By communication of high-throughput sequencing studies using a BCO, regulatory agencies (e.g., FDA), diagnostic test developers, researchers, and clinicians can expand collaboration to drive innovation in precision medicine, potentially decreasing the time and cost associated with next generation sequencing workflow exchange, reporting, and regulatory reviews.