Before human induced pluripotent stem (iPS) cells can be used to treat genetically inherited human disease, it will be necessary to develop methods of correcting disease-causing mutations that are compatible with clinical applications, combining efficiency with efficacy and leaving no residual sequences in the targeted genome. Yusa et al. present a proof-of-principle experiment demonstrating the complete genetic correction of a disease-causing mutation in patient-specific iPS cells. They use zinc finger nucleases and piggyBac technology to correction a point mutation in the α1-antitrypsin gene, which is responsible for α1-antitrypsin deficiency (A1ATD). The corrected iPS cells could efficiently differentiate to form hepatocyte-like cells and engraft into an animal model for liver injury without tumour formation. Human induced pluripotent stem cells (iPSCs) represent a unique opportunity for regenerative medicine because they offer the prospect of generating unlimited quantities of cells for autologous transplantation, with potential application in treatments for a broad range of disorders1,2,3,4. However, the use of human iPSCs in the context of genetically inherited human disease will require the correction of disease-causing mutations in a manner that is fully compatible with clinical applications3,5. The methods currently available, such as homologous recombination, lack the necessary efficiency and also leave residual sequences in the targeted genome6. Therefore, the development of new approaches to edit the mammalian genome is a prerequisite to delivering the clinical promise of human iPSCs. Here we show that a combination of zinc finger nucleases (ZFNs)7 and piggyBac8,9 technology in human iPSCs can achieve biallelic correction of a point mutation (Glu342Lys) in the α1-antitrypsin (A1AT, also known as SERPINA1) gene that is responsible for α1-antitrypsin deficiency. Genetic correction of human iPSCs restored the structure and function of A1AT in subsequently derived liver cells in vitro and in vivo. This approach is significantly more efficient than any other gene-targeting technology that is currently available and crucially prevents contamination of the host genome with residual non-human sequences. Our results provide the first proof of principle, to our knowledge, for the potential of combining human iPSCs with genetic correction to generate clinically relevant cells for autologous cell-based therapies.

Direct editing of disease-causing mutations has obvious attractions for the treatment of genetic disorders if the many practical obstacles to the technique can be overcome. One promising line of research centres on the development of zinc finger nucleases (ZFNs) produced by fusing an engineered zinc finger DNA-binding domain to an endonuclease. These artificial enzymes induce efficient gene correction in cultured cells. Li et al. now report that zinc finger nucleases induce double-strand breaks in specifically selected locations on the genome and stimulate genome editing at a clinically meaningful level in vivo. In a proof-of-principle experiment, ZFNs delivered to the liver in a mouse model of haemophilia B achieved a level of gene replacement that was sufficient to correct the clotting defect, and the effect persisted following liver regeneration. Editing of the human genome to correct disease-causing mutations is a promising approach for the treatment of genetic disorders. Genome editing improves on simple gene-replacement strategies by effecting in situ correction of a mutant gene, thus restoring normal gene function under the control of endogenous regulatory elements and reducing risks associated with random insertion into the genome. Gene-specific targeting has historically been limited to mouse embryonic stem cells. The development of zinc finger nucleases (ZFNs) has permitted efficient genome editing in transformed and primary cells that were previously thought to be intractable to such genetic manipulation1. In vitro, ZFNs have been shown to promote efficient genome editing via homology-directed repair by inducing a site-specific double-strand break (DSB) at a target locus2,3,4, but it is unclear whether ZFNs can induce DSBs and stimulate genome editing at a clinically meaningful level in vivo. Here we show that ZFNs are able to induce DSBs efficiently when delivered directly to mouse liver and that, when co-delivered with an appropriately designed gene-targeting vector, they can stimulate gene replacement through both homology-directed and homology-independent targeted gene insertion at the ZFN-specified locus. The level of gene targeting achieved was sufficient to correct the prolonged clotting times in a mouse model of haemophilia B, and remained persistent after induced liver regeneration. Thus, ZFN-driven gene correction can be achieved in vivo, raising the possibility of genome editing as a viable strategy for the treatment of genetic disease.

Engineered T cells expressing a tumor antigen specific T cell receptor (TCR) have shown promise for cancer immunotherapy. However, the introduced TCR chains can pair with the endogenous TCR chains in T cells, and in mice, these mismatched TCRs can cause a lethal autoimmune reaction. Provasi et al. now show that they can eliminate expression of the endogenous TCR chains using zinc finger nucleases and express only the desired exogenous TCR by lentiviral transduction. The resultant TCR-edited lymphocytes showed tumor specificity without the risk of off-target toxicity. The transfer of high-avidity T cell receptor (TCR) genes isolated from rare tumor-specific lymphocytes into polyclonal T cells is an attractive cancer immunotherapy strategy. However, TCR gene transfer results in competition for surface expression and inappropriate pairing between the exogenous and endogenous TCR chains, resulting in suboptimal activity and potentially harmful unpredicted antigen specificities of the resultant TCRs. We designed zinc-finger nucleases (ZFNs) that promoted the disruption of endogenous TCR β- and α-chain genes. Lymphocytes treated with ZFNs lacked surface expression of CD3-TCR and expanded with the addition of interleukin-7 (IL-7) and IL-15. After lentiviral transfer of a TCR specific for the Wilms tumor 1 (WT1) antigen, these TCR-edited cells expressed the new TCR at high levels, were easily expanded to near purity and were superior at specific antigen recognition compared to donor-matched, unedited TCR-transferred cells. In contrast to unedited TCR-transferred cells, the TCR-edited lymphocytes did not mediate off-target reactivity while maintaining their anti-tumor activity in vivo, thus showing that complete editing of T cell specificity generates tumor-specific lymphocytes with improved biosafety profiles.

Isogenic settings are routine in model organisms, yet remain elusive for genetic experiments on human cells. We describe the use of designed zinc finger nucleases (ZFNs) for efficient transgenesis without drug selection into the PPP1R12C gene, a “safe harbor” locus known as AAVS1 . ZFNs enable targeted transgenesis at a frequency of up to 15% following transient transfection of both transformed and primary human cells, including fibroblasts and hES cells. When added to this locus, transgenes such as expression cassettes for shRNAs, small-molecule-responsive cDNA expression cassettes, and reporter constructs, exhibit consistent expression and sustained function over 50 cell generations. By avoiding random integration and drug selection, this method allows bona fide isogenic settings for high-throughput functional genomics, proteomics, and regulatory DNA analysis in essentially any transformed human cell type and in primary cells.

Highlights•We corrected the mutant CFTR gene in cystic fibrosis iPSCs•Correction restored protein expression and function in iPSC-derived epithelial cells•We observed an exquisitely sensitive, homology-dependent, allele-preferred targetingSummaryRecently developed reprogramming and genome editing technologies make possible the derivation of corrected patient-specific pluripotent stem cell sources—potentially useful for the development of new therapeutic approaches. Starting with skin fibroblasts from patients diagnosed with cystic fibrosis, we derived and characterized induced pluripotent stem cell (iPSC) lines. We then utilized zinc-finger nucleases (ZFNs), designed to target the endogenous CFTR gene, to mediate correction of the inherited genetic mutation in these patient-derived lines via homology-directed repair (HDR). We observed an exquisitely sensitive, homology-dependent preference for targeting one CFTR allele versus the other. The corrected cystic fibrosis iPSCs, when induced to differentiate in vitro, expressed the corrected CFTR gene; importantly, CFTR correction resulted in restored expression of the mature CFTR glycoprotein and restoration of CFTR chloride channel function in iPSC-derived epithelial cells.