Abstract SARS-CoV-2 is a worldwide health concern, and new treatment strategies are needed 1 . Targeting inflammatory innate immunity pathways holds therapeutic promise, but effective molecular targets remain elusive. Here, we show that human caspase-4 (CASP4), and its mouse homologue, caspase-11 (CASP11), are upregulated in SARS-CoV-2 infections, and that CASP4 expression correlates with severity of SARS-CoV-2 infection in humans. SARS-CoV-2-infected Casp11 -/- mice were protected from severe weight loss and lung pathology, including blood vessel damage, compared to wild-type (WT) and gasdermin-D knock out ( Gsdmd -/- ) mice. GSDMD is a downstream effector of CASP11 and CASP1. Notably, viral titers were similar in the three genotypes. Global transcriptomics of SARS-CoV-2-infected WT, Casp11 -/- and Gsdmd -/- lungs identified restrained expression of inflammatory molecules and altered neutrophil gene signatures in Casp11 -/- mice. We confirmed that protein levels of inflammatory mediators IL-1β, IL6, and CXCL1, and neutrophil functions, were reduced in Casp11 -/- lungs. Additionally, Casp11 -/- lungs accumulated less von Willebrand factor, a marker for endothelial damage, but expressed more Kruppel-Like Factor 2, a transcription factor that maintains vascular integrity. Overall, our results demonstrate that CASP4/11, promotes detrimental SARS-CoV-2-associated inflammation and coagulopathy, largely independently of GSDMD, identifying CASP4/11 as a promising drug target for treatment and prevention of severe COVID-19.

Abstract Single-stranded DNA (ssDNA) templates along with Cas9 have been used for knocking-in exogenous sequences in the genome but suffer from low efficiency. Here, we show that ssDNA with chemical modifications in 12–19% of internal bases, which we denote as enhanced ssDNA (esDNA), improve knock-in (KI) by 2–3-fold compared to end-modified ssDNA in airway basal stem cells (ABCs), CD34 + hematopoietic cells (CD34 + cells), T-cells and endothelial cells. Over 50% of alleles showed KI in three clinically relevant loci (CFTR, HBB and CCR5) in ABCs using esDNA and up to 70% of alleles showed KI in the HBB locus in CD34 + cells in the presence of a DNA-PKcs inhibitor. This level of correction is therapeutically relevant and is comparable to adeno-associated virus-based templates. The esDNA templates did not improve KI in induced pluripotent stem cells (iPSCs). This may be due to the absence of the nuclease TREX1 in iPSCs. Indeed, knocking out TREX1 in other cells improved KI using unmodified ssDNA. esDNA can be used to modify 20–30 bp regions in primary cells for therapeutic applications and biological modeling. The use of this approach for gene length insertions will require new methods to produce long chemically modified ssDNA in scalable quantities.

ABSTRACT Cystic fibrosis (CF) is caused by mutations in the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator ( CFTR ) gene. Although many people with CF (pwCF) are treated using CFTR modulators, some are non-responsive due to their genotype or other uncharacterized reasons. Autologous airway stem cell therapies, in which the CFTR cDNA has been replaced, may enable a durable therapy for all pwCF. Previously, CRISPR-Cas9 with two AAVs was used to sequentially insert two halves of the CFTR cDNA and an enrichment cassette into the CFTR locus. However, the editing efficiency was <10% and required enrichment to restore CFTR function. Further improvement in gene insertion may enhance cell therapy production. To improve CFTR cDNA insertion in human airway basal stem cells (ABCs), we evaluated the use of the small molecules AZD7648 and ART558 which inhibit non-homologous end joining (NHEJ) and micro-homology mediated end joining (MMEJ). Adding AZD7648 alone improved gene insertion by 2-3-fold. Adding both ART558 and AZD7648 improved gene insertion but induced toxicity. ABCs edited in the presence of AZD7648 produced differentiated airway epithelial sheets with restored CFTR function after enrichment. Adding AZD7648 did not increase off-target editing. Further studies are necessary to validate if AZD7648 treatment enriches cells with oncogenic mutations.

ABSTRACT Mucosecretory lung disease compromises airway epithelial function and is characterized by goblet cell hyperplasia and ciliated cell hypoplasia. These cell types are derived from tracheobronchial stem/progenitor cells via a Notch dependent mechanism. Although specific arrays of Notch receptors regulate cell fate determination, the function of the ligands Jagged1 (JAG1) and Jagged2 (JAG2) is unclear. This study used primary human bronchial air-liquid- interface cultures, gamma secretase inhibition, and neutralizing antibodies to show: 1) JAG1 and JAG2 were necessary for secretory progenitor cell fate determination; 2) JAG2 suppressed squamous differentiation; and 3) pausing of the ciliated cell differentiation process after Notch inhibition. Histological, cell fractionation, cell surface biotinylation, and ubiquitination analyses demonstrated that all cells were JAG1 positive but that little JAG1 was present on the cell surface. In contrast, JAG2 was expressed in a positive-negative pattern and was abundant on the cell surface. Glycogen synthase kinase 3 (GSK3) and tankyrase inhibition studies showed that GSK3 regulated JAG2 trafficking, and that this mechanism was WNT-independent. Collectively, these data indicate that variation in JAG2 trafficking creates regions of high, medium, and low ligand expression. Thus, distinct assemblies of JAG1 and JAG2 may regulate Notch signal strength and determine the fate of tracheobronchial stem/progenitor cells. Abstract Figure Graphical Abstract Different assemblies of JAG1 and JAG2 may determine Notch signal strength and cell fate within the tracheobronchial epithelium. A cell which interacts with JAG1+ cells (blue squares) receives a low Notch signal (light yellow square). A cell which interacts with a mixture of JAG1+ and JAG1+/JAG2+ cells (purple squares) receives a medium (med) Notch signal (medium yellow square). A cell which interacts with JAG1+/JAG2+ cells receives a high Notch signal (bright yellow square).

Single-stranded DNA (ssDNA) templates along with Cas9 have been used for gene insertion but suffer from low efficiency. Here, we show that ssDNA with chemical modifications in 10-17% of internal bases (eDNA) is compatible with the homologous recombination machinery. Moreover, eDNA templates improve gene insertion by 2-3 fold compared to unmodified and end-modified ssDNA in airway basal stem cells (ABCs), hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs), T-cells and endothelial cells. Over 50% of alleles showed gene insertion in three clinically relevant loci (CFTR, HBB, and CCR5) in ABCs using eDNA and up to 70% of alleles showed gene insertion in the HBB locus in HSPCs. This level of correction is therapeutically relevant and is comparable to adeno-associated virus-based templates. Knocking out TREX1 nuclease improved gene insertion using unmodified ssDNA but not eDNA suggesting that chemical modifications inhibit TREX1. This approach can be used for therapeutic applications and biological modeling.

Abstract Obesity has been associated with dysbiosis, but innate mechanisms linking intestinal epithelial cell subsets and obesity remain poorly understood. Using mice lacking Paneth cells (Sox9 ΔIEC mice), small intestinal epithelial cells specialized in the production of antimicrobial products and cytokines, we show that dysbiosis alone does not induce obesity or metabolic disorders. Loss of Paneth cells reduced ILC3 and increased ILC2 numbers in the intestinal lamina propria. High-fat diet (HFD) induced higher weight gain and more severe metabolic disorders in Sox9 ΔIEC mice. Further, HFD enhances the number of ILC1 in the intestinal lamina propria of Sox9 ΔIEC mice and increases intestinal permeability and the accumulation of immune cells (inflammatory macrophages and T cells, and B cells) in abdominal fat tissues of obese Sox9 ΔIEC . Transplantation of fecal materials from Sox9 ΔIEC mice in germ-free mice before HFD further confirmed the regulatory role of Paneth cells for gut ILC subsets and the development of obesity.