Junctional epidermolysis bullosa (JEB) is a severe and often lethal genetic disease caused by mutations in genes encoding the basement membrane component laminin-332. Surviving patients with JEB develop chronic wounds to the skin and mucosa, which impair their quality of life and lead to skin cancer. Here we show that autologous transgenic keratinocyte cultures regenerated an entire, fully functional epidermis on a seven-year-old child suffering from a devastating, life-threatening form of JEB. The proviral integration pattern was maintained in vivo and epidermal renewal did not cause any clonal selection. Clonal tracing showed that the human epidermis is sustained not by equipotent progenitors, but by a limited number of long-lived stem cells, detected as holoclones, that can extensively self-renew in vitro and in vivo and produce progenitors that replenish terminally differentiated keratinocytes. This study provides a blueprint that can be applied to other stem cell-mediated combined ex vivo cell and gene therapies. Autologous transgenic epidermal stem cell cultures are used to reconstitute almost the entire epidermis of a patient with severe junctional epidermolysis bullosa. Patients with junctional epidermolysis bullosa (JEB) carry mutations in genes that encode components of the basement membrane, which ensures the integrity between the epidermis and the dermis, such as laminin-332. These mutations cause blistering of the skin and chronic wounds. Following initial treatment of an adult patient with a limited affected region, Michele De Luca and colleagues reconstruct the full epidermis of a 7-year-old patient with autologous transgenic cells transduced with a virus vector carrying the non-mutated form of laminin-322. The integration sites of the virus used for gene delivery provide a tracing tool ex vivo and in vivo and demonstrate that the human epidermis is sustained by a limited number of long-lived stem cells.

Fetal hemoglobin (HbF) reactivation expression through CRISPR-Cas9 is a promising strategy for the treatment of sickle cell disease (SCD). Here, we describe a genome editing strategy leading to reactivation of HbF expression by targeting the binding sites (BSs) for the lymphoma-related factor (LRF) repressor in the γ-globin promoters. CRISPR-Cas9 treatment in healthy donor (HD) and patient-derived HSPCs resulted in a high frequency of LRF BS disruption and potent HbF synthesis in their erythroid progeny. LRF BS disruption did not impair HSPC engraftment and differentiation but was more efficient in SCD than in HD cells. However, SCD HSPCs showed a reduced engraftment and a myeloid bias compared with HD cells. We detected off-target activity and chromosomal rearrangements, particularly in SCD samples (likely because of the higher overall editing efficiency) but did not impact the target gene expression and HSPC engraftment and differentiation. Transcriptomic analyses showed that the editing procedure results in the up-regulation of genes involved in DNA damage and inflammatory responses, which was more evident in SCD HSPCs. This study provides evidence of efficacy and safety for an editing strategy based on HbF reactivation and highlights the need of performing safety studies in clinically relevant conditions, i.e., in patient-derived HSPCs. Fetal hemoglobin (HbF) reactivation expression through CRISPR-Cas9 is a promising strategy for the treatment of sickle cell disease (SCD). Here, we describe a genome editing strategy leading to reactivation of HbF expression by targeting the binding sites (BSs) for the lymphoma-related factor (LRF) repressor in the γ-globin promoters. CRISPR-Cas9 treatment in healthy donor (HD) and patient-derived HSPCs resulted in a high frequency of LRF BS disruption and potent HbF synthesis in their erythroid progeny. LRF BS disruption did not impair HSPC engraftment and differentiation but was more efficient in SCD than in HD cells. However, SCD HSPCs showed a reduced engraftment and a myeloid bias compared with HD cells. We detected off-target activity and chromosomal rearrangements, particularly in SCD samples (likely because of the higher overall editing efficiency) but did not impact the target gene expression and HSPC engraftment and differentiation. Transcriptomic analyses showed that the editing procedure results in the up-regulation of genes involved in DNA damage and inflammatory responses, which was more evident in SCD HSPCs. This study provides evidence of efficacy and safety for an editing strategy based on HbF reactivation and highlights the need of performing safety studies in clinically relevant conditions, i.e., in patient-derived HSPCs.

Lamellar ichthyosis (LI) is a chronic disease, mostly caused by mutations in the TGM1 gene, marked by impaired skin barrier formation. No definitive therapies are available, and current treatments aim at symptomatic relief. LI mouse models often fail to faithfully replicate the clinical and histopathological features of human skin conditions. To develop advanced therapeutic approaches, such as combined ex vivo cell and gene therapy, we established a human cellular model of LI by efficient CRISPR-Cas9-mediated gene ablation of the TGM1 gene in human primary clonogenic keratinocytes. Gene-edited cells showed complete absence of transglutaminase 1 (TG1) expression and recapitulated a hyperkeratotic phenotype with most of the molecular hallmarks of LI in vitro. Using a self-inactivating γ-retroviral (SINγ-RV) vector expressing transgenic TGM1 under the control of its own promoter, we tested an ex vivo gene therapy approach and validate the model of LI as a platform for pre-clinical evaluation studies. Gene-corrected TGM1-null keratinocytes displayed proper TG1 expression, enzymatic activity, and cornified envelope formation and, hence, restored proper epidermal architecture. Single-cell multiomics analysis demonstrated proviral integrations in holoclone-forming epidermal stem cells, which are crucial for epidermal regeneration. This study serves as a proof of concept for assessing the potential of this therapeutic approach in treating TGM1-dependent LI. Lamellar ichthyosis (LI) is a chronic disease, mostly caused by mutations in the TGM1 gene, marked by impaired skin barrier formation. No definitive therapies are available, and current treatments aim at symptomatic relief. LI mouse models often fail to faithfully replicate the clinical and histopathological features of human skin conditions. To develop advanced therapeutic approaches, such as combined ex vivo cell and gene therapy, we established a human cellular model of LI by efficient CRISPR-Cas9-mediated gene ablation of the TGM1 gene in human primary clonogenic keratinocytes. Gene-edited cells showed complete absence of transglutaminase 1 (TG1) expression and recapitulated a hyperkeratotic phenotype with most of the molecular hallmarks of LI in vitro. Using a self-inactivating γ-retroviral (SINγ-RV) vector expressing transgenic TGM1 under the control of its own promoter, we tested an ex vivo gene therapy approach and validate the model of LI as a platform for pre-clinical evaluation studies. Gene-corrected TGM1-null keratinocytes displayed proper TG1 expression, enzymatic activity, and cornified envelope formation and, hence, restored proper epidermal architecture. Single-cell multiomics analysis demonstrated proviral integrations in holoclone-forming epidermal stem cells, which are crucial for epidermal regeneration. This study serves as a proof of concept for assessing the potential of this therapeutic approach in treating TGM1-dependent LI.

Reactivation of fetal hemoglobin (HbF) expression through clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/Cas9-mediated disruption of regulatory elements involved in γ-globin gene repression is a promising gene therapy strategy for the treatment of sickle cell disease (SCD). However, preclinical studies aimed at optimizing the genome editing process and evaluating the safety of the editing strategy are necessary to translate this approach to the clinics. This is particularly relevant in the context of SCD, a disease characterized by inflammation, which can affect hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs), the target cell population in gene therapy approaches for hematopoietic disorders. Here, we describe a genome editing strategy leading to therapeutically relevant reactivation of HbF expression by targeting the binding sites (BSs) for the leukemia/lymphoma related factor (LRF) transcriptional repressor in the HBG1 and HBG2 γ-globin promoters. Electroporation of Cas9 ribonucleoprotein and single guide RNA (sgRNA) targeting the HBG promoters in healthy donor (HD) and patient-derived HSPCs resulted in a high frequency of LRF BS disruption and potent HbF synthesis in their erythroid progeny differentiated in vitro and ex vivo after transplantation into immunodeficient mice. LRF BS disruption did not impair SCD and HD HSPC engraftment and differentiation, but was more efficient in SCD than in HD cells. However, SCD HSPCs showed a reduced engraftment and a myeloid bias compared to HD cells. Importantly, in primary HSPCs, we detected off-target activity and the intra- and inter-chromosomal rearrangements between on- and off-target sites, which were more pronounced in SCD samples (likely because of the higher overall editing efficiency), but did not impact the target gene expression. Off-target activity was observed in vitro and in vivo, thus indicating that it does not impair engraftment and differentiation of both SCD and HD HSPCs. Finally, transcriptomic analyses showed that the genome editing procedure results in the upregulation of genes involved in DNA damage and inflammatory responses in both HD and SCD samples, although gene dysregulation was more evident in SCD HSPCs. Overall, this study provides evidences of feasibility, efficacy and safety for a genome editing strategy based on HbF reactivation and highlights the need of performing safety studies, when possible, in clinically relevant conditions, i.e., in patient-derived HSPCs.

Abstract Sickle cell disease (SCD) is due to a mutation in the β-globin ( HBB ) gene causing the production of the toxic sickle hemoglobin (HbS, a 2 β S 2 ). Transplantation of autologous hematopoietic stem/progenitor cells (HSPCs) transduced with lentiviral vectors (LVs) expressing an anti-sickling β-globin (βAS) is a promising treatment; however, it is only partially effective and patients still present elevated HbS levels. Here, we developed a bifunctional LV expressing βAS3-globin and an artificial microRNA (amiR) specifically downregulating β S -globin expression with the aim of reducing HbS levels and favoring βAS3 incorporation into Hb tetramers. Efficient transduction of SCD HSPC by the bifunctional LV led to a substantial decrease of β S -globin transcripts in HSPC-derived erythroid cells, a significant reduction of HbS + red cells and effective correction of the sickling phenotype, outperforming βAS gene addition and BCL11A gene silencing strategies. The bifunctional LV showed a standard integration profile and neither the HSPC viability, engraftment and multi-lineage differentiation nor the erythroid transcriptome and miRNAome were affected by the treatment, confirming the safety of this therapeutic strategy. In conclusion, the combination of gene addition and gene silencing strategies can improve the efficacy of current LV-based therapeutic approaches without increasing the mutagenic vector load, thus representing a novel treatment for SCD.

Disease progression of myeloproliferative neoplasms is the result of increased genomic complexity. Since the ability to predict disease evolution is crucial for clinical decision, we studied single cell genomics and transcriptomics of CD34+ cells from a primary myelofibrosis (PMF) patient who progressed to acute myeloid Leukemia (AML) while receiving Ruxolitinib. Single cell genomics allowed the reconstruction of clonal hierarchy and demonstrated that TET2 was the first mutated gene while FLT3 was the last one. Disease evolution was accompanied by increased clonal heterogeneity and mutational rate, but clones carrying TP53 and FLT3 mutations were already present in chronic phase. Single cell transcriptomics unraveled repression of interferon signaling suggesting an immunosuppressive effect exerted by Ruxolitinib. Moreover, AML transformation was associated with a differentiative block and immune escape. These results suggest that single cell analysis can unmask tumor heterogeneity and provide meaningful insights about PMF progression that might guide personalized therapy.