T cells can be re-directed to kill cancer cells using chimeric antigen receptors (CARs) or T cell receptors (TCRs). This approach, however, is constrained by the rarity of tumor-specific single antigens. Targeting antigens also found on bystander tissues can cause life-threatening adverse effects. A powerful way to enhance ON-target activity of therapeutic T cells is to engineer them to require combinatorial antigens. Here, we engineer a combinatorially activated T cell circuit in which a synthetic Notch receptor for one antigen induces the expression of a CAR for a second antigen. These dual-receptor AND-gate T cells are only armed and activated in the presence of dual antigen tumor cells. These T cells show precise therapeutic discrimination in vivo—sparing single antigen “bystander” tumors while efficiently clearing combinatorial antigen “disease” tumors. This type of precision dual-receptor circuit opens the door to immune recognition of a wider range of tumors.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiIzN2IxYWZiODQ0YTk2ODZiMGIwMGZiYjBkNjIzMmJiMiIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc5MjU5OTYzfQ.qvhC9J7Ww3K1_H610RIuAEOog3MUQmMnlOU4VKp2gYBCk-Rezlj1ZUfu8vqze2BG_QlqFpHLTfprbhELpQRAA9akAY5pnQ_BMaNGz4mVqwWSOJQMASEawDn4xahRJ7cDQo4pCXtnoPXwosxrqoWDXetsCdeTGnYE9sb03lYtpVlKCncdXiVA2ftRAm7nVVk6_7Ljnn-Ktwz65Eeb0SXry9C0UcCB7CzTFDHeL-aQSC6zL4GEEfmou06zSXBkrGGY6NFm3esBWDdHKvlO8Lu8_lROBtHFhFnYZP02aVN4GE11Zz22Htmg8e6SJ2VzeYrEXCR9Ci2gEQTtwJKXREMtxw(mp4, (54.96 MB) Download video

Summary

 The Notch protein is one of the most mechanistically direct transmembrane receptors—the intracellular domain contains a transcriptional regulator that is released from the membrane when engagement of the cognate extracellular ligand induces intramembrane proteolysis. We find that chimeric forms of Notch, in which both the extracellular sensor module and the intracellular transcriptional module are replaced with heterologous protein domains, can serve as a general platform for generating novel cell-cell contact signaling pathways. Synthetic Notch (synNotch) pathways can drive user-defined functional responses in diverse mammalian cell types. Because individual synNotch pathways do not share common signaling intermediates, the pathways are functionally orthogonal. Thus, multiple synNotch receptors can be used in the same cell to achieve combinatorial integration of environmental cues, including Boolean response programs, multi-cellular signaling cascades, and self-organized cellular patterns. SynNotch receptors provide extraordinary flexibility in engineering cells with customized sensing/response behaviors to user-specified extracellular cues. 

Video Abstract

Circadian rhythms and the genes that make up the molecular clock have long been implicated in bipolar disorder. Genetic evidence in bipolar patients suggests that the central transcriptional activator of molecular rhythms, CLOCK, may be particularly important. However, the exact role of this gene in the development of this disorder remains unclear. Here we show that mice carrying a mutation in the Clock gene display an overall behavioral profile that is strikingly similar to human mania, including hyperactivity, decreased sleep, lowered depression-like behavior, lower anxiety, and an increase in the reward value for cocaine, sucrose, and medial forebrain bundle stimulation. Chronic administration of the mood stabilizer lithium returns many of these behavioral responses to wild-type levels. In addition, the Clock mutant mice have an increase in dopaminergic activity in the ventral tegmental area, and their behavioral abnormalities are rescued by expressing a functional CLOCK protein via viral-mediated gene transfer specifically in the ventral tegmental area. These findings establish the Clock mutant mice as a previously unrecognized model of human mania and reveal an important role for CLOCK in the dopaminergic system in regulating behavior and mood.

Abstract Immunotherapies with chimeric antigen receptor (CAR) T cells and checkpoint inhibitors (including antibodies that antagonize programmed cell death protein 1 [PD-1]) have both opened new avenues for cancer treatment, but the clinical potential of combined disruption of inhibitory checkpoints and CAR T cell therapy remains incompletely explored. Here we show that programmed death ligand 1 (PD-L1) expression on tumor cells can render human CAR T cells (anti-CD19 4-1BBζ) hypo-functional, resulting in impaired tumor clearance in a sub-cutaneous xenograft model. To overcome this suppressed anti-tumor response, we developed a protocol for combined Cas9 ribonucleoprotein (Cas9 RNP)-mediated gene editing and lentiviral transduction to generate PD-1 deficient anti-CD19 CAR T cells. Pdcd1 (PD-1) disruption augmented CAR T cell mediated killing of tumor cells in vitro and enhanced clearance of PD-L1+ tumor xenografts in vivo . This study demonstrates improved therapeutic efficacy of Cas9-edited CAR T cells and highlights the potential of precision genome engineering to enhance next-generation cell therapies.

Keeping a leash on cancer-killing cells Redirecting the immune system to attack tumor cells is proving to be an effective therapy against cancer. However, when patients are exposed to T cells engineered to recognize and attack cancer cells, there is a risk of runaway or excessive activity or of off-target effects, both of which can themselves be deadly. Wu et al. designed T cells expressing chimeric antigen receptors that recognize and attack cancer cells with an additional control system. This mechanism would allow a doctor administering the therapy to turn the engineered T cell “on” or “off” by administering a small molecule that is required along with cancer cell antigen to stimulate the T cells and activate their tumor cell–killing properties. Science , this issue p. 10.1126/science.aab4077

Redirecting T cells to attack cancer using engineered chimeric receptors provides powerful new therapeutic capabilities. However, the effectiveness of therapeutic T cells is constrained by the endogenous T cell response: certain facets of natural response programs can be toxic, whereas other responses, such as the ability to overcome tumor immunosuppression, are absent. Thus, the efficacy and safety of therapeutic cells could be improved if we could custom sculpt immune cell responses. Synthetic Notch (synNotch) receptors induce transcriptional activation in response to recognition of user-specified antigens. We show that synNotch receptors can be used to sculpt custom response programs in primary T cells: they can drive a la carte cytokine secretion profiles, biased T cell differentiation, and local delivery of non-native therapeutic payloads, such as antibodies, in response to antigen. SynNotch T cells can thus be used as a general platform to recognize and remodel local microenvironments associated with diverse diseases.

Treatment of solid cancers with chimeric antigen receptor (CAR) T cells is plagued by the lack of ideal target antigens that are both absolutely tumor specific and homogeneously expressed. We show that multi-antigen prime-and-kill recognition circuits provide flexibility and precision to overcome these challenges in the context of glioblastoma. A synNotch receptor that recognizes a specific priming antigen, such as the heterogeneous but tumor-specific glioblastoma neoantigen epidermal growth factor receptor splice variant III (EGFRvIII) or the central nervous system (CNS) tissue-specific antigen myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG), can be used to locally induce expression of a CAR. This enables thorough but controlled tumor cell killing by targeting antigens that are homogeneous but not absolutely tumor specific. Moreover, synNotch-regulated CAR expression averts tonic signaling and exhaustion, maintaining a higher fraction of the T cells in a naïve/stem cell memory state. In immunodeficient mice bearing intracerebral patient-derived xenografts (PDXs) with heterogeneous expression of EGFRvIII, a single intravenous infusion of EGFRvIII synNotch-CAR T cells demonstrated higher antitumor efficacy and T cell durability than conventional constitutively expressed CAR T cells, without off-tumor killing. T cells transduced with a synNotch-CAR circuit primed by the CNS-specific antigen MOG also exhibited precise and potent control of intracerebral PDX without evidence of priming outside of the brain. In summary, by using circuits that integrate recognition of multiple imperfect but complementary antigens, we improve the specificity, completeness, and persistence of T cells directed against glioblastoma, providing a general recognition strategy applicable to other solid tumors.

Chimeric antigen receptor (CAR) T cells are ineffective against solid tumors with immunosuppressive microenvironments. To overcome suppression, we engineered circuits in which tumor-specific synNotch receptors locally induce production of the cytokine IL-2. These circuits potently enhance CAR T cell infiltration and clearance of immune-excluded tumors, without systemic toxicity. The most effective IL-2 induction circuit acts in an autocrine and T cell receptor (TCR)- or CAR-independent manner, bypassing suppression mechanisms including consumption of IL-2 or inhibition of TCR signaling. These engineered cells establish a foothold in the target tumors, with synthetic Notch-induced IL-2 production enabling initiation of CAR-mediated T cell expansion and cell killing. Thus, it is possible to reconstitute synthetic T cell circuits that activate the outputs ultimately required for an antitumor response, but in a manner that evades key points of tumor suppression.

Abstract Synthetic biology seeks to enable the rational design of regulatory molecules and circuits to reprogram cellular behavior. The application of this approach to human cells could lead to powerful gene and cell-based therapies that provide transformative ways to combat complex diseases. To date, however, synthetic genetic circuits are challenging to implement in clinically-relevant cell types and their components often present translational incompatibilities, greatly limiting the feasibility, efficacy and safety of this approach. Here, using a clinically-driven design process, we developed a toolkit of programmable synthetic transcription regulators that feature a compact human protein-based design, enable precise genome-orthogonal regulation, and can be modulated by FDA-approved small molecules. We demonstrate the toolkit by engineering therapeutic human immune cells with genetic programs that enable titratable production of immunotherapeutics, drug-regulated control of tumor killing in vivo and in 3D spheroid models, and the first multi-channel synthetic switch for independent control of immunotherapeutic genes. Our work establishes a powerful platform for engineering custom gene expression programs in mammalian cells with the potential to accelerate clinical translation of synthetic systems.