The fusion of three transcriptional activation domains to a nuclease-deficient Cas9 achieves robust induction of gene expression and can induce differentiation of hiPSCs. The RNA-guided nuclease Cas9 can be reengineered as a programmable transcription factor. However, modest levels of gene activation have limited potential applications. We describe an improved transcriptional regulator obtained through the rational design of a tripartite activator, VP64-p65-Rta (VPR), fused to nuclease-null Cas9. We demonstrate its utility in activating endogenous coding and noncoding genes, targeting several genes simultaneously and stimulating neuronal differentiation of human induced pluripotent stem cells (iPSCs).

Ageing is a degenerative process that leads to tissue dysfunction and death. A proposed cause of ageing is the accumulation of epigenetic noise that disrupts gene expression patterns, leading to decreases in tissue function and regenerative capacity1–3. Changes to DNA methylation patterns over time form the basis of ageing clocks4, but whether older individuals retain the information needed to restore these patterns—and, if so, whether this could improve tissue function—is not known. Over time, the central nervous system (CNS) loses function and regenerative capacity5–7. Using the eye as a model CNS tissue, here we show that ectopic expression of Oct4 (also known as Pou5f1), Sox2 and Klf4 genes (OSK) in mouse retinal ganglion cells restores youthful DNA methylation patterns and transcriptomes, promotes axon regeneration after injury, and reverses vision loss in a mouse model of glaucoma and in aged mice. The beneficial effects of OSK-induced reprogramming in axon regeneration and vision require the DNA demethylases TET1 and TET2. These data indicate that mammalian tissues retain a record of youthful epigenetic information—encoded in part by DNA methylation—that can be accessed to improve tissue function and promote regeneration in vivo. Expression of three Yamanaka transcription factors in mouse retinal ganglion cells restores youthful DNA methylation patterns, promotes axon regeneration after injury, and reverses vision loss in a mouse model of glaucoma and in aged mice, suggesting that mammalian tissues retain a record of youthful epigenetic information that can be accessed to improve tissue function.

The RNA-guided endonuclease Cas9 can be converted into a programmable transcriptional repressor, but inefficiencies in target-gene silencing have limited its utility. Here we describe an improved Cas9 repressor based on the C-terminal fusion of a rationally designed bipartite repressor domain, KRAB–MeCP2, to nuclease-dead Cas9. We demonstrate the system’s superiority in silencing coding and noncoding genes, simultaneously repressing a series of target genes, improving the results of single and dual guide RNA library screens, and enabling new architectures of synthetic genetic circuits. The fusion of dead Cas9 with KRAB and the transcriptional repressor domain of the chromatin modifier MeCP2 leads to an efficient transcriptional silencer that can be applied to genome-scale screens and genetic circuits.

Ageing is a degenerative process leading to tissue dysfunction and death. A proposed cause of ageing is the accumulation of epigenetic noise, which disrupts youthful gene expression patterns that are required for cells to function optimally and recover from damage 1–3 . Changes to DNA methylation patterns over time form the basis of an ‘ageing clock’ 4, 5 , but whether old individuals retain information to reset the clock and, if so, whether this would improve tissue function is not known. Of all the tissues in the body, the central nervous system (CNS) is one of the first to lose regenerative capacity 6, 7 . Using the eye as a model tissue, we show that expression of Oct4, Sox2, and Klf4 genes (OSK) in mice resets youthful gene expression patterns and the DNA methylation age of retinal ganglion cells, promotes axon regeneration after optic nerve crush injury, and restores vision in a mouse model of glaucoma and in normal old mice. This process, which we call re co v ery of information v ia e pigenetic r eprogramming or REVIVER, requires the DNA demethylases Tet1 and Tet2, indicating that DNA methylation patterns don’t just indicate age, they participate in ageing. Thus, old tissues retain a faithful record of youthful epigenetic information that can be accessed for functional age reversal.

Abstract Aging is a complex process best characterized as the chronic dysregulation of cellular processes leading to deteriorated tissue and organ function. While aging cannot currently be prevented, its impact on lifespan and healthspan in the elderly can potentially be minimized by interventions that aim to return these cellular processes to optimal function. Recent studies have demonstrated that partial reprogramming using the Yamanaka factors (or a subset; OCT4, SOX2 , and KLF4; OSK) can reverse age-related changes in vitro and in vivo . However, it is still unknown whether the Yamanaka factors (or a subset) are capable of extending the lifespan of aged wild type mice. Here, we show that systemically delivered AAVs, encoding an inducible OSK system, in 124-week-old mice extends the median remaining lifespan by 109% over wild-type controls and enhances several health parameters. Importantly, we observed a significant improvement in frailty scores indicating that we were able to improve the healthspan along with increasing the lifespan. Furthermore, in human keratinocytes expressing exogenous OSK, we observed significant epigenetic markers of age-reversal, suggesting a potential reregulation of genetic networks to a younger, potentially healthier state. Together, these results may have important implications for the development of partial reprogramming interventions to reverse age-associated diseases in the elderly.

Aging is a complex progression of changes best characterized as the chronic dysregulation of cellular processes leading to deteriorated tissue and organ function. Although aging cannot currently be prevented, its impact on life- and healthspan in the elderly can potentially be minimized by interventions that aim to return these cellular processes to optimal function. Recent studies have demonstrated that partial reprogramming using the Yamanaka factors (or a subset; OCT4, SOX2, and KLF4; OSK) can reverse age-related changes in vitro and in vivo. However, it is still unknown whether the Yamanaka factors (or a subset) are capable of extending the lifespan of aged wild-type (WT) mice. In this study, we show that systemically delivered adeno-associated viruses, encoding an inducible OSK system, in 124-week-old male mice extend the median remaining lifespan by 109% over WT controls and enhance several health parameters. Importantly, we observed a significant improvement in frailty scores indicating that we were able to improve the healthspan along with increasing the lifespan. Furthermore, in human keratinocytes expressing exogenous OSK, we observed significant epigenetic markers of age reversal, suggesting a potential reregulation of genetic networks to a younger potentially healthier state. Together, these results may have important implications for the development of partial reprogramming interventions to reverse age-associated diseases in the elderly.

The RNA-guided bacterial nuclease Cas9 can be reengineered as a programmable transcription factor by a series of changes to the Cas9 protein in addition to the fusion of a transcriptional activation domain (AD). However, the modest levels of gene activation achieved by current Cas9 activators have limited their potential applications. Here we describe the development of an improved transcriptional regulator through the rational design of a tripartite activator, VP64-p65-Rta (VPR), fused to Cas9. We demonstrate its utility in activating expression of endogenous coding and non-coding genes, targeting several genes simultaneously and stimulating neuronal differentiation of induced pluripotent stem cells (iPSCs).