Efficient protein delivery using cationic lipid transfection reagents enables high efficiency protein-based genome editing in vivo and in vitro. Efficient intracellular delivery of proteins is needed to fully realize the potential of protein therapeutics. Current methods of protein delivery commonly suffer from low tolerance for serum, poor endosomal escape and limited in vivo efficacy. Here we report that common cationic lipid nucleic acid transfection reagents can potently deliver proteins that are fused to negatively supercharged proteins, that contain natural anionic domains or that natively bind to anionic nucleic acids. This approach mediates the potent delivery of nM concentrations of Cre recombinase, TALE- and Cas9-based transcription activators, and Cas9:sgRNA nuclease complexes into cultured human cells in media containing 10% serum. Delivery of unmodified Cas9:sgRNA complexes resulted in up to 80% genome modification with substantially higher specificity compared to DNA transfection. This approach also mediated efficient delivery of Cre recombinase and Cas9:sgRNA complexes into the mouse inner ear in vivo, achieving 90% Cre-mediated recombination and 20% Cas9-mediated genome modification in hair cells.

Although genetic factors contribute to almost half of all cases of deafness, treatment options for genetic deafness are limited. We developed a genome-editing approach to target a dominantly inherited form of genetic deafness. Here we show that cationic lipid-mediated in vivo delivery of Cas9-guide RNA complexes can ameliorate hearing loss in a mouse model of human genetic deafness. We designed and validated, both in vitro and in primary fibroblasts, genome editing agents that preferentially disrupt the dominant deafness-associated allele in the Tmc1 (transmembrane channel-like gene family 1) Beethoven (Bth) mouse model, even though the mutant Tmc1Bth allele differs from the wild-type allele at only a single base pair. Injection of Cas9-guide RNA-lipid complexes targeting the Tmc1Bth allele into the cochlea of neonatal Tmc1Bth/+ mice substantially reduced progressive hearing loss. We observed higher hair cell survival rates and lower auditory brainstem response thresholds in injected ears than in uninjected ears or ears injected with control complexes that targeted an unrelated gene. Enhanced acoustic startle responses were observed among injected compared to uninjected Tmc1Bth/+ mice. These findings suggest that protein-RNA complex delivery of target gene-disrupting agents in vivo is a potential strategy for the treatment of some types of autosomal-dominant hearing loss.

Hair cells of the inner ear are essential for hearing and balance. As a consequence, pathogenic variants in genes specifically expressed in hair cells often cause hereditary deafness. Hair cells are few in number and not easily isolated from the adjacent supporting cells, so the biochemistry and molecular biology of hair cells can be difficult to study. To study gene expression in hair cells, we developed a protocol for hair cell isolation by FACS. With nearly pure hair cells and surrounding cells, from cochlea and utricle and from E16 to P7, we performed a comprehensive cell type-specific RNA-Seq study of gene expression during mouse inner ear development. Expression profiling revealed new hair cell genes with distinct expression patterns: some are specific for vestibular hair cells, others for cochlear hair cells, and some are expressed just before or after maturation of mechanosensitivity. We found that many of the known hereditary deafness genes are much more highly expressed in hair cells than surrounding cells, suggesting that genes preferentially expressed in hair cells are good candidates for unknown deafness genes.

Abstract Gene therapy is a promising approach for hereditary deafness. We recently showed that unilateral AAV1-hOTOF gene therapy with dual adeno-associated virus (AAV) serotype 1 carrying human OTOF transgene is safe and associated with functional improvements in patients with autosomal recessive deafness 9 (DFNB9). The protocol was subsequently amended and approved to allow bilateral gene therapy administration. Here we report an interim analysis of the single-arm trial investigating the safety and efficacy of binaural therapy in five pediatric patients with DFNB9. The primary endpoint was dose-limiting toxicity at 6 weeks, and the secondary endpoint included safety (adverse events) and efficacy (auditory function and speech perception). No dose-limiting toxicity or serious adverse event occurred. A total of 36 adverse events occurred. The most common adverse events were increased lymphocyte counts (6 out of 36) and increased cholesterol levels (6 out of 36). All patients had bilateral hearing restoration. The average auditory brainstem response threshold in the right (left) ear was >95 dB (>95 dB) in all patients at baseline, and the average auditory brainstem response threshold in the right (left) ear was restored to 58 dB (58 dB) in patient 1, 75 dB (85 dB) in patient 2, 55 dB (50 dB) in patient 3 at 26 weeks, and 75 dB (78 dB) in patient 4 and 63 dB (63 dB) in patient 5 at 13 weeks. The speech perception and the capability of sound source localization were restored in all five patients. These results provide preliminary insights on the safety and efficacy of binaural AAV gene therapy for hereditary deafness. The trial is ongoing with longer follow-up to confirm the safety and efficacy findings. Chinese Clinical Trial Registry registration: ChiCTR2200063181 .

Patients with mutations in the TMPRSS3 gene suffer from recessive deafness DFNB8/DFNB10 for whom cochlear implantation is the only treatment option. Poor cochlear implantation outcomes are seen in some patients. To develop biological treatment for TMPRSS3 patients, we generated a knock-in mouse model with a frequent human DFNB8 TMPRSS3 mutation. The Tmprss3A306T/A306T homozygous mice display delayed onset progressive hearing loss similar to human DFNB8 patients. Using AAV2 as a vector to carry a human TMPRSS3 gene, AAV2-h TMPRSS3 injection in the adult knock-in mouse inner ears results in TMPRSS3 expression in the hair cells and the spiral ganglion neurons. A single AAV2-h TMPRSS3 injection in aged Tmprss3A306T/A306T mice leads to sustained rescue of the auditory function, to a level similar to the wildtype mice. AAV2-h TMPRSS3 delivery rescues the hair cells and the spiral ganglions. This is the first study to demonstrate successful gene therapy in an aged mouse model of human genetic deafness. This study lays the foundation to develop AAV2-h TMPRSS3 gene therapy to treat DFNB8 patients, as a standalone therapy or in combination with cochlear implantation.

Abstract Pathogenic mutations in the OTOF gene cause autosomal recessive hearing loss 9 (DFNB9), one of the most common forms of auditory neuropathy. There is no biological treatment for DFNB9. Here, we designed an OTOF gene therapy agent by dual AAV1 carrying human OTOF coding sequences with the expression driven by the hair cell-specific promoter Myo15 , AAV1-hOTOF. To develop a clinical application of AAV1-hOTOF gene therapy, we evaluated its efficacy and safety in animal models by pharmacodynamics, behavior, and histopathology. AAV1-hOTOF inner ear delivery significantly improved hearing in Otof −/− mice without affecting normal hearing in wild-type mice. AAV1 was predominately distributed to the cochlea although it was detected in other organs such as the central nervous system and the liver, and no obvious toxic effects of AAV1-hOTOF were observed in mice. To further evaluate the safety of Myo15 promoter-driven AAV1-transgene, AAV1-GFP was delivered into the inner ear of Macaca fascicularis via the round window membrane. AAV1-GFP transduced 60-94% of the inner hair cells along the cochlear turns. AAV1-GFP was detected in isolated organs and no significant adverse effects were detected. These results suggest that AAV1-hOTOF is well tolerated and effective in animals, providing critical support for its clinical translation.

Abstract Genes that are primarily expressed in cochlear glia-like supporting cells (GLSs) have never been clearly associated with progressive deafness. Herein, we present a novel deafness locus mapped to chromosome 3p25.1 and a new auditory neuropathy spectrum disorder (ANSD) gene TMEM43 mainly expressed in GLSs. We identify p.R372X of TMEM43 by linkage analysis and exome sequencing in two large Asian families. The knock-in (KI) mouse with p.R372X mutation recapitulates a progressive hearing loss with histological abnormalities exclusively in GLSs. Mechanistically, TMEM43 interacts with Cx26 and Cx30 gap junction channels, disrupting the passive conductance current in GLSs in a dominant-negative fashion when the p.R372X mutation is introduced. Based on the mechanistic insights, cochlear implant was performed on two patients and speech discrimination was successfully restored. Our study highlights a pathological role of cochlear GLSs by identifying a novel deafness gene and its causal relationship with ANSD.

Mutations in the USH2A gene are the most common cause of non-syndromic inherited retinal degeneration and Usher syndrome, which is characterized by congenital deafness and progressive vision loss. Development of a vector mediated therapy for USH2A-associated disease has been challenging due to its large size of coding sequence (~15.6kb). Therefore, there is an unmet need to develop alternative therapeutic strategies. The USH2A protein (Usherin) contains many repetitive domains, and it has been hypothesized that some domains may be dispensable with regard to protein function. Here, we show that skipping of exon 13 of the human USH2A gene or the equivalent exon 12 of the mouse Ush2a gene results in an in-frame transcript that produces functional Usherin protein. This nearly full length Usherin rescues the ciliogenesis in Ush2a null cells as well as the cochlear and retinal phenotypes in Ush2a null mice. Together, our results support the development of exon-skipping strategies to treat both visual and hearing loss in patients with USH2A-associated disease due to mutations in exon 13.

Abstract Mutations in microRNA-96 ( MIR96 ) cause dominant delayed onset hearing loss DFNA50 without treatment. Genome editing has shown efficacy in hearing recovery by intervention in neonatal mice, yet editing in the adult inner ear is necessary for clinical applications. Here, we developed an editing therapy for a C>A point mutation in the seed region of the Mir96 gene, Mir96 14C>A associated with hearing loss by screening gRNAs for genome editors and optimizing Cas9 and sgRNA scaffold for efficient and specific mutation editing in vitro. By AAV delivery in pre-symptomatic (3-week-old) and symptomatic (6-week-old) adult Mir96 14C>A mutant mice, hair cell on-target editing significantly improved hearing long-term, with an efficacy inversely correlated with injection age. We achieved transient Cas9 expression without the evidence of AAV genomic integration to significantly reduce the safety concerns associated with editing. We developed an AAV-sgmiR96-master system capable of targeting all known human MIR96 mutations. As mouse and human MIR96 sequences share 100% homology, our approach and sgRNA selection for efficient and specific hair cell editing for long-term hearing recovery lays the foundation for future treatment of DFNA50 caused by MIR96 mutations.