Abstract We report here that butyrate, a naturally occurring fatty acid commonly used as a nutritional supplement and differentiation agent, greatly enhances the efficiency of induced pluripotent stem (iPS) cell derivation from human adult or fetal fibroblasts. After transient butyrate treatment, the iPS cell derivation efficiency is enhanced by 15- to 51-fold using either retroviral or piggyBac transposon vectors expressing 4 to 5 reprogramming genes. Butyrate stimulation is more remarkable (>100- to 200-fold) on reprogramming in the absence of either KLF4 or MYC transgene. Butyrate treatment did not negatively affect properties of iPS cell lines established by either 3 or 4 retroviral vectors or a single piggyBac DNA transposon vector. These characterized iPS cell lines, including those derived from an adult patient with sickle cell disease by either the piggyBac or retroviral vectors, show normal karyotypes and pluripotency. To gain insights into the underlying mechanisms of butyrate stimulation, we conducted genome-wide gene expression and promoter DNA methylation microarrays and other epigenetic analyses on established iPS cells and cells from intermediate stages of the reprogramming process. By days 6 to 12 during reprogramming, butyrate treatment enhanced histone H3 acetylation, promoter DNA demethylation, and the expression of endogenous pluripotency-associated genes, including DPPA2, whose overexpression partially substitutes for butyrate stimulation. Thus, butyrate as a cell permeable small molecule provides a simple tool to further investigate molecular mechanisms of cellular reprogramming. Moreover, butyrate stimulation provides an efficient method for reprogramming various human adult somatic cells, including cells from patients that are more refractory to reprogramming.

The foundational adenine base editors (for example, ABE7.10) enable programmable A•T to G•C point mutations but editing efficiencies can be low at challenging loci in primary human cells. Here we further evolve ABE7.10 using a library of adenosine deaminase variants to create ABE8s. At NGG protospacer adjacent motif (PAM) sites, ABE8s result in ~1.5× higher editing at protospacer positions A5–A7 and ~3.2× higher editing at positions A3–A4 and A8–A10 compared with ABE7.10. Non-NGG PAM variants have a ~4.2-fold overall higher on-target editing efficiency than ABE7.10. In human CD34+ cells, ABE8 can recreate a natural allele at the promoter of the γ-globin genes HBG1 and HBG2 with up to 60% efficiency, causing persistence of fetal hemoglobin. In primary human T cells, ABE8s achieve 98–99% target modification, which is maintained when multiplexed across three loci. Delivered as messenger RNA, ABE8s induce no significant levels of single guide RNA (sgRNA)-independent off-target adenine deamination in genomic DNA and very low levels of adenine deamination in cellular mRNA. Adenine base editors are evolved to be more efficient and more compatible with Cas9 variants.

Sickle cell disease (SCD) is a common, severe genetic blood disorder. Current pharmacotherapies are partially effective and allogeneic hematopoietic stem cell transplantation is associated with immune toxicities. Genome editing of patient hematopoietic stem cells (HSCs) to reactivate fetal hemoglobin (HbF) in erythroid progeny offers an alternative potentially curative approach to treat SCD. Although the FDA released guidelines for evaluating genome editing risks, it remains unclear how best to approach pre-clinical assessment of genome-edited cell products. Here, we describe rigorous pre-clinical development of a therapeutic γ-globin gene promoter editing strategy that supported an investigational new drug application cleared by the FDA. We compared γ-globin promoter and BCL11A enhancer targets, identified a potent HbF-inducing lead candidate, and tested our approach in mobilized CD34+ hematopoietic stem progenitor cells (HSPCs) from SCD patients. We observed efficient editing, HbF induction to predicted therapeutic levels, and reduced sickling. With single-cell analyses, we defined the heterogeneity of HbF induction and HBG1/HBG2 transcription. With CHANGE-seq for sensitive and unbiased off-target discovery followed by targeted sequencing, we did not detect off-target activity in edited HSPCs. Our study provides a blueprint for translating new ex vivo HSC genome editing strategies toward clinical trials for treating SCD and other blood disorders.Graphical abstract

The foundational adenine base editors (e.g. ABE7.10) enable programmable C:G to T:A point mutations but editing efficiencies can be low at challenging loci in primary human cells. Here we further evolve ABE7.10 using a library of adenosine deaminase variants to create ABE8s. At NGG PAM sites, ABE8s result in ~1.5x higher editing at protospacer positions A5-A7 and ~3.2x higher editing at positions A3-A4 and A8-A10 compared with ABE7.10. Non-NGG PAM variants have a ~4.2-fold overall higher on-target editing efficiency than ABE7.10. In human CD34+ cells, ABE8 can recreate a natural allele at the promoter of the gamma-globin genes HBG1 and HBG2, with up to 60% efficiency, causing persistence of fetal hemoglobin. In primary human T cells, ABE8s achieve 98-99% target modification which is maintained when multiplexed across three loci. Delivered as mRNA, ABE8s induce no significant levels of sgRNA-independent off-target adenine deamination in genomic DNA and very low levels of adenine deamination in cellular mRNA.

Abstract On-target toxicity to normal cells is a major safety concern with targeted immune and gene therapies. Here, we developed a base editing (BE) approach exploiting a naturally occurring CD33 single nucleotide polymorphism leading to removal of full-length CD33 surface expression on edited cells. CD33 editing in human and nonhuman primate (NHP) hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) protects from CD33-targeted therapeutics without affecting normal hematopoiesis in vivo , thus demonstrating potential for novel immunotherapies with reduced off-leukemia toxicity. For broader applications to gene therapies, we demonstrated highly efficient (>70%) multiplexed adenine base editing of the CD33 and gamma globin genes, resulting in long-term persistence of dual gene-edited cells with HbF reactivation in NHPs. In vitro , dual gene-edited cells could be enriched via treatment with the CD33 antibody-drug conjugate, gemtuzumab ozogamicin (GO). Together, our results highlight the potential of adenine base editors for improved immune and gene therapies. Graphical abstract

Abstract Sickle cell disease (SCD) is a common severe blood disorder, caused by one major point mutation in the HBB gene. Current pharmacotherapies are only partially effective and potentially curative allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (HSCT) is associated with immune toxicities. Genome editing of autologous patient hematopoietic stem cells (HSCs) to reactivate fetal hemoglobin (HbF) in erythroid progeny offers a potentially curative approach to treat SCD and circumvents some problems associated with allogeneic HSCT. Although the FDA has released guidelines for evaluating genome editing risks, it remains unclear how to best to assess the preclinical safety and efficacy of genome-edited cellular drug products to prepare for a clinical trial. Here we describe rigorous pre-clinical characterization and optimization of a therapeutic γ-globin gene promoter editing strategy that supported an investigational new drug (IND) application cleared by the FDA. We compared targets in the γ-globin promoter and BCL11A erythroid-specific enhancer, identified a lead candidate that potently induces HbF, and tested our approach in mobilized CD34 + HSPCs from normal donors and individuals with SCD. We observed efficient editing, induction of HbF to levels predicted to be therapeutic, and reduction of sickling in red blood cells derived from edited HSPCs. With single-cell western and RNA-seq analyses, we defined the heterogeneity and specificity of HbF induction and HBG1/HBG2 transcription. With CHANGE-seq for sensitive and unbiased genome-wide off-target discovery followed by multiplexed targeted sequencing, we did not detect off-target activity in edited HSPCs. Our study provides a blueprint for translating new discoveries on ex vivo genome editing of HSCs towards clinical trials for treating SCD and other blood disorders.