Loss of function of the maternally inherited allele for the UBE3A ubiquitin ligase gene causes Angelman syndrome (AS), which is characterized by severe neurological impairment and motor dysfunction. In addition, UBE3A lies within chromosome 15q11–q13 region, where maternal, but not paternal, duplications cause autism. The UBE3A gene product, E6-AP, has been shown to function both as an E3 ligase in the ubiquitin proteasome pathway and as a transcriptional coactivator. However, the specific role of E6-AP in the brain, or how loss of function of E6-AP results in AS, is unclear. Herein, we show, using a recombinant transgenic mouse expressing a Ube3aYFP fusion gene, that the maternal Ube3aYFP allele is upregulated and preferentially expressed in neurons, and that the fusion protein, E6-AP:YFP, is enriched in the nucleus and dendrites in vivo. We also show that E6-AP:YFP localizes to the nucleus and to presynaptic and postsynaptic compartments in cultured hippocampal neurons. Furthermore, we show that cerebellar Purkinje cell number and dendritic branching are not affected in Ube3a maternal-deficient mice, but that dendritic spine development, including spine morphology, number and length, is affected on cerebellar Purkinje cells and on pyramidal neurons in the hippocampus and cortex. Collectively, these data suggest that the neurological deficits observed in AS patients and in AS mice may result from specific abnormalities in synaptic development and/or plasticity.

ABSTRACT Angelman syndrome is a devastating neurogenetic disorder for which there is currently no effective treatment. It is caused by mutations or epimutations affecting the expression or function of the maternally inherited allele of the ubiquitin-protein ligase E3A ( UBE3A ) gene. The paternal UBE3A allele is imprinted in neurons of the central nervous system (CNS) by the UBE3A antisense ( UBE3A-AS ) transcript, which represents the distal end of the SNHG14 transcription unit. Reactivating the expression of the paternal UBE3A allele in the CNS has long been pursued as a therapeutic option for Angelman syndrome. Here, we designed and optimized antisense oligonucleotides (ASO) targeting an evolutionarily conserved region demarcating the start of the human UBE3A-AS transcript and show that ASOs targeting this region can reverse imprinting of UBE3A in cultured Angelman syndrome neurons and throughout the CNS of a non-human primate model. Findings from this study advanced the first investigational molecular therapy for Angelman syndrome into clinical development (ClinicalTrials.gov, NCT04259281 ). SUMMARY Here, we describe the preclinical studies supporting the first investigational molecular therapy for Angelman syndrome to advance into clinical development (ClinicalTrials.gov, NCT04259281 ).

ABSTRACT A large subset of patients with Angelman syndrome (AS) suffer from concurrent gastrointestinal (GI) issues, including constipation, poor feeding, and reflux. AS is caused by the loss of ubiquitin ligase E3A ( UBE3A ) gene expression in the brain. Clinical features of AS, which include developmental delays, intellectual disability, microcephaly, and seizures, are primarily due to the deficient expression or function of the maternally inherited UBE3A allele . The association between neurodevelopmental delay and GI disorders is part of the increasing evidence suggesting a link between the brain and the gut microbiome via the microbiota-gut-brain (MGB) axis. To investigate the associations between colonization of the gut microbiota in AS, we characterized the fecal microbiome in three animal models of AS containing maternal deletions of Ube3A , including mouse, rat, and pig, using 16S ribosomal RNA amplicon sequencing. Overall changes in the microbial composition of all three animal models of AS in both the phylum and genus levels of bacterial abundance were identified. Specific bacterial groups were significantly increased across all animal models, including: Lachnospiraceae Incertae sedis, Desulfovibrios sp ., and Odoribacter , which have been correlated with neuropsychiatric disorders. Taken together, these findings suggest that specific changes to the local environment in the gut are driven by a Ube3a maternal deletion, unaffected by varying housing conditions and are prominent and detectable across multiple small and large model species. These findings may begin to uncover the underlying mechanistic causes of GI disorders in AS patients and provide future therapeutic options for AS patients. IMPORTANCE Angelman syndrome (AS) associated gastrointestinal (GI) symptoms significantly impact quality of life in patients. Using AS models in mouse, rat, and pig, AS animals showed impaired colonization of the gut microbiota compared to wild type (healthy) control animals. Unique changes in AS microbiomes across all three animal models may be important in causing GI symptoms and may help to identify ways to treat these comorbidities in patients in the future.

Gene therapies are being developed for several central nervous system (CNS) disorders. These therapies are primarily administered to the CNS via the cerebrospinal fluid (CSF), as the blood-brain barrier prevents the transport of large molecules to the brain. Currently, intrathecal injection is the most commonly used route of administration over cisterna magna injections in the clinic for gaining access to the CSF. However, studies in nonhuman primates (NHPs) have shown that administering gene therapies via suboccipital cisterna magna injection results in superior distribution and more cells being transduced in the brain compared to lumbar injection. It has also been reported that comparable CNS size is important when translating therapeutic dosages from animal studies to human trials. Therefore, we chose to develop a computed tomography (CT)-guided cisterna magna injection protocol in pigs as they are anatomically closer in size to humans than nonhuman primates and rodents. Pigs are also a readily available and cost-effective large animal model for preclinical studies compared to nonhuman NHPs. In this paper, we describe a method for CT-guided suboccipital cisterna magna injections in pigs. We developed this protocol utilizing CT to confirm needle placement with three-dimensional visualization. A CT-guided injection minimizes procedural risk and can be performed without a contrast agent, which is required in magnetic resonance and fluoroscopy imaging. © 2024 Wiley Periodicals LLC. Basic Protocol: Computed tomography-guided suboccipital cisterna magna injection in pigs to confirm needle placement prior to the administration of a test article or vehicle.