The Cas9/guide RNA (Cas9/gRNA) system is commonly used for genome editing. mRNA expressing Cas9 can induce innate immune responses, reducing Cas9 expression. First-generation Cas9 mRNAs were modified with pseudouridine and 5-methylcytosine to reduce innate immune responses. We combined four approaches to produce more active, less immunogenic second-generation Cas9 mRNAs. First, we developed a novel co-transcriptional capping method yielding natural Cap 1. Second, we screened modified nucleotides in Cas9 mRNA to identify novel modifications that increase Cas9 activity. Third, we depleted the mRNA of uridines to improve mRNA activity. Lastly, we tested high-performance liquid chromatography (HPLC) purification to remove double-stranded RNAs. The activity of these mRNAs was tested in cell lines and primary human CD34+ cells. Cytokines were measured in whole blood and mice. These approaches yielded more active and less immunogenic mRNA. Uridine depletion (UD) most impacted insertion or deletion (indel) activity. Specifically, 5-methoxyuridine UD induced indel frequencies as high as 88% (average ± SD = 79% ± 11%) and elicited minimal immune responses without needing HPLC purification. Our work suggests that uridine-depleted Cas9 mRNA modified with 5-methoxyuridine (without HPLC purification) or pseudouridine may be optimal for the broad use of Cas9 both in vitro and in vivo. The Cas9/guide RNA (Cas9/gRNA) system is commonly used for genome editing. mRNA expressing Cas9 can induce innate immune responses, reducing Cas9 expression. First-generation Cas9 mRNAs were modified with pseudouridine and 5-methylcytosine to reduce innate immune responses. We combined four approaches to produce more active, less immunogenic second-generation Cas9 mRNAs. First, we developed a novel co-transcriptional capping method yielding natural Cap 1. Second, we screened modified nucleotides in Cas9 mRNA to identify novel modifications that increase Cas9 activity. Third, we depleted the mRNA of uridines to improve mRNA activity. Lastly, we tested high-performance liquid chromatography (HPLC) purification to remove double-stranded RNAs. The activity of these mRNAs was tested in cell lines and primary human CD34+ cells. Cytokines were measured in whole blood and mice. These approaches yielded more active and less immunogenic mRNA. Uridine depletion (UD) most impacted insertion or deletion (indel) activity. Specifically, 5-methoxyuridine UD induced indel frequencies as high as 88% (average ± SD = 79% ± 11%) and elicited minimal immune responses without needing HPLC purification. Our work suggests that uridine-depleted Cas9 mRNA modified with 5-methoxyuridine (without HPLC purification) or pseudouridine may be optimal for the broad use of Cas9 both in vitro and in vivo.

Abstract Cystic fibrosis (CF) is a monogenic disease caused by impaired production and/or function of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) protein. Although we have previously shown correction of the most common pathogenic mutation, there are many other pathogenic mutations throughout the CF gene. An autologous airway stem cell therapy in which the CFTR cDNA is precisely inserted into the CFTR locus may enable the development of a durable cure for almost all CF patients, irrespective of the causal mutation. Here, we use CRISPR/Cas9 and two adeno-associated viruses (AAV) carrying the two halves of the CFTR cDNA to sequentially insert the full CFTR cDNA along with a truncated CD19 (tCD19) enrichment tag in upper airway basal stem cells (UABCs) and human bronchial basal stem cells (HBECs). The modified cells were enriched to obtain 60-80% tCD19 + UABCs and HBECs from 11 different CF donors with a variety of mutations. Differentiated epithelial monolayers cultured at air-liquid interface showed restored CFTR function that was >70% of the CFTR function in non-CF controls. Thus, our study enables the development of a therapy for almost all CF patients, including patients who cannot be treated using recently approved modulator therapies.

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.

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.

Cystic fibrosis (CF) is a monogenic autosomal recessive disorder caused by mutations in the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) Cl- channel. CF results in multiorgan dysfunction and ultimately mortality from respiratory sequelae. Although pharmacologic approaches have demonstrated efficacy in reducing symptoms and respiratory decline, a curative treatment modality remains elusive. Gene therapy, a promising curative strategy, has been limited due to poor correction efficiencies both in vitro and in vivo. Here, we use Cas9 and adeno-associated virus 6 (AAV6) to correct the ΔF508 mutation (found in ~70% of CF alleles and ~90% of CF patients in North America) in upper airway basal stem cells (UABCs) obtained from CF and non-CF patients undergoing functional endoscopic sinus surgery (FESS). In UABCs from homozygous (ΔF508/ΔF508) and compound heterozygous (ΔF508/Other) CF patients, we achieved 28 ± 5 % and 42 ± 15% correction, respectively. In homozygous human bronchial epithelial cells (HBECs), we achieved 41 ± 4 % correction. Upon differentiation in air-liquid interface (ALI), cultures of corrected CF cells displayed partial restoration of CFTRinh-172 sensitive Cl- currents relative to non-CF controls: 31 ± 5 % in UABCs and 51 ± 3 % in HBECs (both from subjects homozygous for ΔF508 CFTR). Finally, gene edited cells embedded successfully and retained expression of cytokeratin 5 (KRT5), a basal cell marker, on a FDA-approved porcine small intestinal submucosal (pSIS) membrane previously shown to improve re-mucosalization after FESS. In summary, we present an efficient, feeder-free, selection-free and clinically compatible approach to generate cell-based therapies for CF from autologous airway stem cells. This approach represents a first step towards developing patient-specific autologous airway stem cell transplant as a curative treatment for CF.