Monkeys serve as important model species for studying human diseases and developing therapeutic strategies, yet the application of monkeys in biomedical researches has been significantly hindered by the difficulties in producing animals genetically modified at the desired target sites. Here, we first applied the CRISPR/Cas9 system, a versatile tool for editing the genes of different organisms, to target monkey genomes. By coinjection of Cas9 mRNA and sgRNAs into one-cell-stage embryos, we successfully achieve precise gene targeting in cynomolgus monkeys. We also show that this system enables simultaneous disruption of two target genes (Ppar-γ and Rag1) in one step, and no off-target mutagenesis was detected by comprehensive analysis. Thus, coinjection of one-cell-stage embryos with Cas9 mRNA and sgRNAs is an efficient and reliable approach for gene-modified cynomolgus monkey generation.

Abstract Bone marrow-derived mesenchymal stem cells (MSCs) hold great promise for treating immune disorders because of their immunoregulatory capacity, but the mechanism remains controversial. As we show here, the mechanism of MSC-mediated immunosuppression varies among different species. Immunosuppression by human- or monkey-derived MSCs is mediated by indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO), whereas mouse MSCs utilize nitric oxide, under the same culture conditions. When the expression of IDO and inducible nitric oxide synthase (iNOS) were examined in human and mouse MSCs after stimulation with their respective inflammatory cytokines, we found that human MSCs expressed extremely high levels of IDO, and very low levels of iNOS, whereas mouse MSCs expressed abundant iNOS and very little IDO. Immunosuppression by human MSCs was not intrinsic, but was induced by inflammatory cytokines and was chemokine-dependent, as it is in mouse. These findings provide critical information about the immunosuppression of MSCs and for better application of MSCs in treating immune disorders. Disclosure of potential conflicts of interest is found at the end of this article.

CRISPR/Cas9 has been used to genetically modify genomes in a variety of species, including non-human primates. Unfortunately, this new technology does cause mosaic mutations, and we do not yet know whether such mutations can functionally disrupt the targeted gene or cause the pathology seen in human disease. Addressing these issues is necessary if we are to generate large animal models of human diseases using CRISPR/Cas9. Here we used CRISPR/Cas9 to target the monkey dystrophin gene to create mutations that lead to Duchenne muscular dystrophy (DMD), a recessive X-linked form of muscular dystrophy. Examination of the relative targeting rate revealed that Crispr/Cas9 targeting could lead to mosaic mutations in up to 87% of the dystrophin alleles in monkey muscle. Moreover, CRISPR/Cas9 induced mutations in both male and female monkeys, with the markedly depleted dystrophin and muscle degeneration seen in early DMD. Our findings indicate that CRISPR/Cas9 can efficiently generate monkey models of human diseases, regardless of inheritance patterns. The presence of degenerated muscle cells in newborn Cas9-targeted monkeys suggests that therapeutic interventions at the early disease stage may be effective at alleviating the myopathy.

Mammalian mesenchymal stem cells (MSCs) have been shown to be strongly immunosuppressive in both animal disease models and human clinical trials. We have reported that the key molecule mediating immunosuppression by MSCs is species dependent: indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) in human and inducible nitric oxide synthase (iNOS) in mouse. In the present study, we isolated MSCs from several mammalian species, each of a different genus, and investigated the involvement of IDO and iNOS during MSC-mediated immunosuppression. The characterization of MSCs from different species was by adherence to tissue culture plastic, morphology, specific marker expression, and differentiation potential. On the basis of the inducibility of IDO and iNOS by inflammatory cytokines in MSCs, the tested mammalian species fall into two distinct groups: IDO utilizers and iNOS utilizers. MSCs from monkey, pig, and human employ IDO to suppress immune responses, whereas MSCs from mouse, rat, rabbit, and hamster utilize iNOS. Interestingly, based on the limited number of species tested, the iNOS-utilizing species all belong to the phylogenetic clade, Glires. Although the evolutionary significance of this divergence is not known, we believe that this study provides critical guidance for choosing appropriate animal models for preclinical studies of MSCs.

Whether and how certain transposable elements with viral origins, such as endogenous retroviruses (ERVs) dormant in our genomes, can become awakened and contribute to the aging process is largely unknown. In human senescent cells, we found that HERVK (HML-2), the most recently integrated human ERVs, are unlocked to transcribe viral genes and produce retrovirus-like particles (RVLPs). These HERVK RVLPs constitute a transmissible message to elicit senescence phenotypes in young cells, which can be blocked by neutralizing antibodies. The activation of ERVs was also observed in organs of aged primates and mice as well as in human tissues and serum from the elderly. Their repression alleviates cellular senescence and tissue degeneration and, to some extent, organismal aging. These findings indicate that the resurrection of ERVs is a hallmark and driving force of cellular senescence and tissue aging.

Interspecies chimera formation with human pluripotent stem cells (hPSCs) represents a necessary alternative to evaluate hPSC pluripotency in vivo and might constitute a promising strategy for various regenerative medicine applications, including the generation of organs and tissues for transplantation. Studies using mouse and pig embryos suggest that hPSCs do not robustly contribute to chimera formation in species evolutionarily distant to humans. We studied the chimeric competency of human extended pluripotent stem cells (hEPSCs) in cynomolgus monkey (Macaca fascicularis) embryos cultured ex vivo. We demonstrate that hEPSCs survived, proliferated, and generated several peri- and early post-implantation cell lineages inside monkey embryos. We also uncovered signaling events underlying interspecific crosstalk that may help shape the unique developmental trajectories of human and monkey cells within chimeric embryos. These results may help to better understand early human development and primate evolution and develop strategies to improve human chimerism in evolutionarily distant species.

ABSTRACT Stopping COVID-19 is a priority worldwide. Understanding which cell types are targeted by SARS-CoV-2 virus, whether interspecies differences exist, and how variations in cell state influence viral entry is fundamental for accelerating therapeutic and preventative approaches. In this endeavor, we profiled the transcriptome of nine tissues from a Macaca fascicularis monkey at single-cell resolution. The distribution of SARS-CoV-2 facilitators, ACE2 and TMRPSS2, in different cell subtypes showed substantial heterogeneity across lung, kidney, and liver. Through co-expression analysis, we identified immunomodulatory proteins such as IDO2 and ANPEP as potential SARS-CoV-2 targets responsible for immune cell exhaustion. Furthermore, single-cell chromatin accessibility analysis of the kidney unveiled a plausible link between IL6-mediated innate immune responses aiming to protect tissue and enhanced ACE2 expression that could promote viral entry. Our work constitutes a unique resource for understanding the physiology and pathophysiology of two phylogenetically close species, which might guide in the development of therapeutic approaches in humans. Bullet points We generated a single-cell transcriptome atlas of 9 monkey tissues to study COVID-19. ACE2 + TMPRSS2 + epithelial cells of lung, kidney and liver are targets for SARS-CoV-2. ACE2 correlation analysis shows IDO2 and ANPEP as potential therapeutic opportunities. We unveil a link between IL6, STAT transcription factors and boosted SARS-CoV-2 entry.

Abstract Essential genes for murine embryonic development can demonstrate a disparate phenotype in human cohorts. By generating a transcriptional atlas containing >30,000 cells from postimplantation non-human primate embryos, we discovered that ISL1 , a gene with a well-established role in cardiogenesis, controls a gene regulatory network in primate amnion. CRISPR/Cas9-targeting of ISL1 resulted in non-human primate embryos which did not yield viable offspring, demonstrating that ISL1 is critically required in primate embryogenesis. On a cellular level, mutant ISL1 embryos displayed a failure in mesoderm formation due to reduced BMP4 signaling from the amnion. Via loss of function and rescue studies in human embryonic stem cells we confirmed a similar role of ISL1 in human in vitro derived amnion. This study highlights the importance of the amnion as a signaling center during primate mesoderm formation and demonstrates the potential of in vitro primate model systems to dissect the genetics of early human embryonic development.