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.

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.

Interleukin 7 Receptor Alpha Severe Combined Immunodeficiency (IL7R-SCID) is a life-threatening disorder caused by homozygous mutations in the IL7RA gene. Defective IL7R expression in humans hampers T cell precursors proliferation and differentiation during lymphopoiesis resulting in absence of T cells in newborns, who succumb to severe infections and death early after birth. Previous attempts to tackle IL7R-SCID by viral gene therapy have shown that unregulated IL7R expression predisposes to leukaemia, suggesting the application of targeted gene editing to insert a correct copy of the IL7RA gene in its genomic locus and mediate its physiological expression as a more feasible therapeutic approach. To this aim, we have first developed a CRISPR/Cas9-based IL7R-SCID disease modelling system that recapitulates the disease phenotype in primary human T cells and hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). Then, we have designed a knock-in strategy that targets IL7RA exon 1 and introduces via homology directed repair a corrective, promoterless IL7RA cDNA followed by a reporter cassette through AAV6 transduction. Targeted integration of the corrective cassette in primary T cells restored IL7R expression and rescued functional downstream IL7R signalling. When applied to HSPCs further induced to differentiate into T cells in an Artificial Thymic Organoid system, our gene editing strategy overcame the T cell developmental block observed in IL7R-SCID patients, while promoting full maturation of T cells with physiological and developmentally regulated IL7R expression. Finally, genotoxicity assessment of the CRISPR/Cas9 platform in HSPCs using biased and unbiased technologies confirmed the safety of the strategy, paving the way for a new, efficient, and safe therapeutic option for IL7R-SCID patients.