The CRISPR-Cas9 system has been employed to generate mutant alleles in a range of different organisms. However, so far there have not been reports of use of this system for efficient correction of a genetic disease. Here we show that mice with a dominant mutation in Crygc gene that causes cataracts could be rescued by coinjection into zygotes of Cas9 mRNA and a single-guide RNA (sgRNA) targeting the mutant allele. Correction occurred via homology-directed repair (HDR) based on an exogenously supplied oligonucleotide or the endogenous WT allele, with only rare evidence of off-target modifications. The resulting mice were fertile and able to transmit the corrected allele to their progeny. Thus, our study provides proof of principle for use of the CRISPR-Cas9 system to correct genetic disease.

Epithelial–mesenchymal transitions (EMTs) are an essential manifestation of epithelial cell plasticity during morphogenesis, wound healing, and tumor progression. Transforming growth factor-β (TGF-β) modulates epithelial plasticity in these physiological contexts by inducing EMT. Here we report a transcriptome screen of genetic programs of TGF-β-induced EMT in human keratinocytes and propose functional roles for extracellular response kinase (ERK) mitogen-activated protein kinase signaling in cell motility and disruption of adherens junctions. We used DNA arrays of 16,580 human cDNAs to identify 728 known genes regulated by TGF-β within 4 hours after treatment. TGF-β-stimulated ERK signaling mediated regulation of 80 target genes not previously associated with this pathway. This subset is enriched for genes with defined roles in cell–matrix interactions, cell motility, and endocytosis. ERK-independent genetic programs underlying the onset of EMT involve key pathways and regulators of epithelial dedifferentiation, undifferentiated transitional and mesenchymal progenitor phenotypes, and mediators of cytoskeletal reorganization. The gene expression profiling approach delineates complex context-dependent signaling pathways and transcriptional events that determine epithelial cell plasticity controlled by TGF-β. Investigation of the identified pathways and genes will advance the understanding of molecular mechanisms that underlie tumor invasiveness and metastasis.

The epigenomes of mammalian sperm and oocytes, characterized by gamete-specific 5-methylcytosine (5mC) patterns, are reprogrammed during early embryogenesis to establish full developmental potential. Previous studies have suggested that the paternal genome is actively demethylated in the zygote while the maternal genome undergoes subsequent passive demethylation via DNA replication during cleavage. Active demethylation is known to depend on 5mC oxidation by Tet dioxygenases and excision of oxidized bases by thymine DNA glycosylase (TDG). Here we show that both maternal and paternal genomes undergo widespread active and passive demethylation in zygotes before the first mitotic division. Passive demethylation was blocked by the replication inhibitor aphidicolin, and active demethylation was abrogated by deletion of Tet3 in both pronuclei. At actively demethylated loci, 5mCs were processed to unmodified cytosines. Surprisingly, the demethylation process was unaffected by the deletion of TDG from the zygote, suggesting the existence of other demethylation mechanisms downstream of Tet3-mediated oxidation.

Summary The COVID-19 pandemic and the SARS-CoV-2 with its variants have posed unprecedented challenges worldwide. Existing vaccines have limited effectiveness against the SARS-CoV-2 variants. Therefore, novel vaccines to match current mutated viral lineages with long-term protective immunity are urgently in demand. In the current study, we for the first time designed a recombinant Adeno-Associated Virus 5 (rAAV5)-based vaccine named as rAAV-COVID-19 vaccine (Covacinplus) by using RBD-plus of spike protein with both the single-stranded and the self-complementary AAV5 delivering vectors (ssAAV5 and scAAAV5), which provides excellent protection from SARS-CoV-2 infection. A single dose vaccination induced the strong immune response against SARS-CoV-2. The induced neutralizing antibodies (NAs) titers were maintained at a high peak level of over 1:1024 even after more than one year of injection and accompanied with functional T-cells responses in mice. Importantly, both ssAAV- and scAAV-based RBD-plus vaccines exhibited high levels of serum NAs against current circulating variants including variants Alpha, Beta, Gamma and Delta. SARS-CoV-2 virus challenge test showed that ssAAV5-RBD-plus vaccine protected both young and old age mice from SARS-CoV-2 infection in the upper and the lower respiratory tracts. Moreover, whole genome sequencing demonstrated that AAV vector DNA sequences were not found in the genome of the vaccinated mice after one year vaccination, demonstrating excellent safety of the vaccine. Taken together, this study suggests that rAAV5-based vaccine is powerful against SARS-CoV-2 and its variants with long-term protective immunity and excellent safety, which has great potential for development into prophylactic vaccination in human to end this global pandemic.

Abstract DNA double-strand breaks (DSBs) induced by gene editing tools are primarily resolved either by non-homologous end joining (NHEJ) or homology-directed repair (HDR) using exogenous synthetic DNA templates. Repaired by error-prone NHEJ may lead to unexpected indels at the targeted site. In the case of most genetic disorders, HDR-mediated precise correction using an exogenous homologous sequence is ideal. However, the therapeutic application of HDR might be especially challenging given the requirement for the codelivery of exogenous DNA templates with toxicity into cells, and the low efficiency of HDR could also limit its clinical application. Here, we used hematopoietic stem cells (HSCs) with genetic mutations to cause β-thalassemia in HBB coding regions and discovered that many cells are actually repaired by CRISPR/Cas9-mediated gene conversion (GC) independent of exogenous synthetic DNA templates. We show that pathogenic mutations in the HBB c oding regions of HSCs can be repaired efficiently through CRISPR/GC using the paralog gene HBD as the internal template. Electroporations of Cas9 for ribonucleoprotein with sgRNA into haematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) with a variety of pathogenic gene mutations also resulted in effective conversion of mutations to normal wild-type sequences without exogenous DNA template. Moreover, the edited HSCs can repopulate the haematopoietic system and generate erythroid cells with a greatly reduced propensity for thalassemia after transplantations. Thus, CRISPR/GC, independent of exogenous DNA templates, holds great promise for gene therapy of genetic diseases.

Abstract Applications of genome editing ultimately depend on DNA repair triggered by targeted double-strand breaks (DSBs). However, repair mechanisms in human cells remain poorly understood and vary across different cell types. Here we report that DSBs selectively induced on a mutant allele in heterozygous human embryos are repaired by gene conversion using an intact wildtype homolog as a template in up to 40% of targeted embryos. We also show that targeting of homozygous loci facilitates an interplay of non-homologous end joining (NHEJ) and gene conversion and results in embryos which carry identical indel mutations on both loci. Additionally, conversion tracks may expand bidirectionally well beyond the target region leading to an extensive loss of heterozygosity (LOH). Our study demonstrates that gene conversion and NHEJ are two major DNA DSB repair mechanisms in preimplantation human embryos. While gene conversion could be applicable for gene correction, extensive LOH presents a serious safety concern.

Abstract The conversion of DNA 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) by TET enzymes represents a significant epigenetic modification, yet its role in early human embryos remains largely unknown. Here we showed that the early human embryo inherited a significant amount of 5hmCs from an oocyte, which unexpectedly underwent de novo hydroxymethylation during its growth. Furthermore, the generation of 5hmC in the paternal genome after fertilization roughly followed the maternal pattern, which was linked to DNA methylation dynamics and regions of sustained methylation. The 5hmCs persisted until the eight-cell stage and exhibited high enrichment at OTX2 binding sites, whereas knockdown of OTX2 in human embryos compromised the expression of early lineage genes. Specifically, the depletion of 5hmC affected the activation of embryonic genes, which was further evaluated by ectopically expressing mouse Tet3 in human early embryos. These findings revealed distinct dynamics of 5hmC and unravelled its multifaceted functions in early human embryonic development.