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 Increasing evidence has supported the important role of mesenchymal stem cells (MSCs) in wound healing, however, the underlying mechanism remains unclear. Recently, we have isolated a unique population of MSCs from human gingiva (GMSCs) with similar stem cell-like properties, immunosuppressive, and anti-inflammatory functions as human bone marrow-derived MSCs (BMSCs). We describe here the interplay between GMSCs and macrophages and the potential relevance in skin wound healing. When cocultured with GMSCs, macrophages acquired an anti-inflammatory M2 phenotype characterized by an increased expression of mannose receptor (MR; CD206) and secretory cytokines interleukin (IL)-10 and IL-6, a suppressed production of tumor necrosis factor (TNF)-α, and decreased ability to induce Th-17 cell expansion. In vivo, we demonstrated that systemically infused GMSCs could home to the wound site in a tight spatial interaction with host macrophages, promoted them toward M2 polarization, and significantly enhanced wound repair. Mechanistically, GMSC treatment mitigated local inflammation mediated by a suppressed infiltration of inflammatory cells and production of IL-6 and TNF-α, and an increased expression of IL-10. The GMSC-induced suppression of TNF-α secretion by macrophages appears to correlate with impaired activation of NFκB p50. These findings provide first evidence that GMSCs are capable to elicit M2 polarization of macrophages, which might contribute to a marked acceleration of wound healing.

Constitutive promoters are used routinely to drive ectopic gene expression. Here, we carried out a systematic comparison of eight commonly used constitutive promoters (SV40, CMV, UBC, EF1A, PGK and CAGG for mammalian systems, and COPIA and ACT5C for Drosophila systems). We also included in the comparison the TRE promoter, which can be activated by the rtTA transcriptional activator in a doxycycline-inducible manner. To make our findings representative, we conducted the comparison in a variety of cell types derived from several species. We found that these promoters vary considerably from one another in their strength. Most promoters have fairly consistent strengths across different cell types, but the CMV promoter can vary considerably from cell type to cell type. At maximal induction, the TRE promoter is comparable to a strong constitutive promoter. These results should facilitate more rational choices of promoters in ectopic gene expression studies.

Abstract Skeletal muscle ageing increases the incidence of age-associated frailty and sarcopenia in the elderly worldwide, leading to increased morbidity and mortality. However, our understanding of the cellular and molecular mechanisms of muscle ageing is still far from complete. Here, we generate a single-cell and single-nucleus transcriptomic atlas of skeletal muscle ageing from 15 donors across the adult human lifespan, accompanied by myofiber typing using imaging. Our atlas reveals ageing mechanisms acting across different compartments of the muscle, including muscle stem cells (MuSCs), myofibers and the muscle microenvironment. Firstly, we uncover two mechanisms driving MuSC ageing, namely a decrease in ribosome biogenesis and an increase in inflammation. Secondly, we identify a set of nuclei populations explaining the preferential degeneration of the fast-twitch myofibers and suggest two mechanisms acting to compensate for their loss. Importantly, we identify a neuromuscular junction accessory population, which helps myofiber to compensate for aged-related denervation. Thirdly, we reveal multiple microenvironment cell types contributing to the inflammatory milieu of ageing muscle by producing cytokines and chemokines to attract immune cells. Finally, we provide a comparable mouse muscle ageing atlas and further investigate conserved and specific ageing hallmarks across species. In summary, we present a comprehensive human skeletal muscle ageing resource by combining different data modalities, which significantly expands our understanding of muscle biology and ageing.

Abstract Dysfunction of the sympathetic nervous system and increase of epicardial adipose tissue (EAT) have been independently associated with the occurrence of cardiac arrhythmia. However, their exact roles in triggering arrhythmia remain elusive due to a lack of appropriate human disease models. Here, using the in vitro co-culture system with sympathetic neurons, cardiomyocytes, and adipocytes, we show that adipocyte-derived leptin could activate sympathetic neurons and increase the release of NPY, which in turn trigger arrhythmia of cardiomyocytes by interaction with NPY1R and subsequently enhancing the activity of NCX and CaMKII. The arrhythmic phenotype could be partially blocked by leptin neutralizing antibody, or an inhibitor of NPY1R, NCX or CaMKII. More importantly, increased EAT thickness accompanied with higher leptin/NPY blood levels was detected in atrial fibrillation patients compared to control group. Our study provides the first evidence that adipose-neural axis would contribute to arrhythmogenesis and represent a potential therapeutic target for arrhythmia.

The essential role of U4 snRNP in pre-messenger RNA (mRNA) splicing has been well established. In this study, we utilized an antisense morpholino oligonucleotide (AMO) specifically targeting U4 snRNA to achieve functional knockdown of U4 snRNP in HeLa cells. Our results showed that this knockdown resulted in global intronic premature cleavage and polyadenylation (PCPA) events, comparable to the effects observed with U1 AMO treatment, as demonstrated by mRNA 3′-seq analysis. Furthermore, our study suggested that this may be a common phenomenon in both human and mouse cell lines. Additionally, we showed that U4 AMO treatment disrupted transcription elongation, as evidenced by chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq) analysis for RNAPII. Collectively, our results identified a unique role for U4 snRNP in the inhibition of PCPA and indicated a model wherein splicing intrinsically inhibits intronic cleavage and polyadenylation in the context of cotranscriptional mRNA processing.

Abstract Background: Testicular aging is known to cause male age-related fertility decline and hypogonadism, but the underlying molecular mechanisms remain unclear. Methods: We survey the single-cell transcriptomic landscape of testes from young and old men and examine age-related changes in germline and somatic niche cells. Results: In-depth evaluation of the gene expression dynamics of germline cells reveals that disturbance of base-excision repair pathway is a major feature of aging spermatogonial stem cells (SSCs), suggesting that defective DNA repair of SSCs may serve as a potential driver for increased de novo germline mutations with age. Further analysis of aging-associated transcriptional changes shows that stress-related changes and apoptotic signaling pathway accumulate in aged somatic cells. We identify age-related impairment of redox homeostasis in aged Leydig cells and find that pharmacological treatment with antioxidants alleviate this cellular dysfunction of Leydig cells and promote testosterone production. Lastly, our results reveal that decreased pleiotrophin (PTN) signaling is a contributing factor for testicular aging. Conclusions: These findings provide a comprehensive understanding of the cell-type-specific mechanisms underlying human testicular aging at a single-cell resolution, and suggest potential therapeutic targets that may be leveraged to address age-related male fertility decline and hypogonadism. Funding: This work was supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFA0107200, 2018YFA0801404), the National Natural Science Foundation of China (32130046, 82171564, 82101669, 81871110, 81971759), the Key Research and Development Program of Guangdong Province (2019B020234001), the Natural Science Foundation of Guangdong Province, China (2022A1515010371), the Major Project of Medical Science and Technology Development Research Center of National Health Planning Commission, China (HDSL202001000), the Open Project of NHC Key Laboratory of Male Reproduction and Genetics (Family Planning Research Institute of Guangdong Province) (KF202001), the Guangdong Province Regional Joint Fund-Youth Fund Project (2021A1515110921), the China Postdoctoral Science Foundation (2021M703736).

Abstract It has recently been shown that CFIm25, a canonical mRNA 3’ processing factor, could play a variety of physiological roles through its molecular function in the regulation of mRNA alternative polyadenylation (APA). Here, we used CRISPR/Cas9-mediated gene editing approach in human embryonic stem cells (hESCs) for CFIm25, and obtained three gene knockdown/mutant cell lines. CFIm25 gene editing resulted in higher proliferation rate and impaired differentiation potential for hESCs, with these effects likely to be directly regulated by the target genes, including the pluripotency factor rex1 . Mechanistically, we unexpected found that perturbation in CFIm25 gene expression did not significantly affect cellular mRNA 3’ processing efficiency and APA profile. Rather, we provided evidences that CFIm25 may impact RNA polymerase II (RNAPII) occupancy at the body of transcribed genes, and promote the expression level of a group of transcripts associated with cellular proliferation and/or differentiation. Further study indicated that CFIm25 association with LEO1, an RNAPII associated factor, might contribute to the effect. Taken together, these results reveal novel mechanisms underlying CFIm25’s modulation in determination of cell fate, and provide evidence that the process of mammalian gene transcription may be regulated by an mRNA 3’ processing factor.

Abstract Leydig cell failure (LCF) caused by gene mutation results in testosterone deficiency and infertility. Serum testosterone levels can be recovered via testosterone replacement; however, established therapies have shown limited success in restoring fertility. Here, we used a luteinizing hormone/choriogonadotrophin receptor ( Lhcgr )-deficient mouse model of genetic LCF to investigate the feasibility of gene therapy for restoring testosterone production and fertility. We screened several adeno-associated virus (AAV) serotypes and identified AAV8 as an efficient vector to drive exogenous Lhcgr expression in progenitor Leydig cells through interstitial injection. We observed considerable testosterone recovery and Leydig cell maturation after AAV8-Lhcgr treatment in pubertal Lhcgr -/- mice. This gene therapy substantially recovered sexual development, partially restored spermatogenesis and effectively produced fertile offspring. Furthermore, these favorable effects could be reproduced in adult Lhcgr -/- mice. Our proof-of-concept experiments in this mouse model demonstrate that AAV-mediated gene therapy may represent a promising therapeutic approach for patients with genetic LCF.

Abstract The declining rates of male fertility pose a significant clinical challenge, primarily due to our limited understanding of the testicular interstitium, which is crucial for male reproductive health. Here, we conducted a comprehensive analysis of the single-cell transcriptomic landscape of the murine testicular interstitium across the postnatal lifespan. Our investigation unveiled a previously unrecognized population of Cd34 + /Sox4 + mesenchymal cells nestled within the interstitium, hinting at their potential as Leydig cell progenitors. During the aging process of Cd34 + /Sox4 + mesenchymal cells, we observed a decline in glutathione levels within the testicular interstitium. Remarkably, these Cd34 + /Sox4 + mesenchymal cells exhibited clonogenic self-renewal capacity and an impressive propensity to differentiate into Leydig cells. Intriguingly, when transplanted into Leydig cell-disrupted or failure models, Cd34 + /Sox4 + cells efficiently colonized the testicular interstitium, resulting in a notable increase in testosterone production. Exploring the epigenetic landscape, we identified critical transcription factors, most notably Sox4, governing the stem cell fate of Cd34 + /Sox4 + mesenchymal cells. Overall, this comprehensive reference atlas of lifespan testicular Leydig cells presents significant findings that may guide the development of cell-based strategies for treating testicular hypogonadism in elderly individuals.