ABSTRACT Switching hemoglobin synthesis from defective adult beta-globin to fetal gamma-globin is an effective strategy for the treatment of beta-hemoglobinopathies. Fetal hemoglobin expression is down-regulated in the postnatal period due to the interplay of transcription regulators with the HBG promoters. However, in the hereditary persistence of fetal hemoglobin (HPFH) condition, naturally occurring point mutations in the HBG promoter causes continued expression of fetal globin even during adulthood. Inspired by this natural phenomenon, we screened the proximal promoter of human HBG genes using adenine and cytosine base editors to identify other nucleotide substitutions that could potentially lead to elevated levels of fetal globin. Both the base editors efficiently and precisely edited at the target sites with a minimal generation of indels and no deletion of one of the duplicated HBG genes. Through systematic tiling across the HBG proximal promoter, we identified multiple novel target sites that resulted in a significant increase in fetal globin levels. Further, we individually validated the top eight potential target sites from both the base editors and observed robust elevation in the fetal globin levels up to 47 %, without any detrimental effects on erythroid differentiation. Our screening strategy resulted in the identification of multiple novel point mutations and also validated the known non-deletional HPFH mutations that could elevate the fetal globin expression at therapeutically relevant levels. Overall, our findings shed light on so far unknown regulatory elements within the HBG promoter that normally mediates fetal globin silencing and identify additional targets for therapeutic upregulation of fetal hemoglobin.

Sickle Cell Disease (SCD), one of the world's most common genetic disorders, causes anemia and progressive multiorgan damage that typically shortens lifespan by decades; currently there is no broadly applicable curative therapy. Here we show that Cas9 RNP-mediated gene editing with an ssDNA oligonucleotide donor yields more than 20% correction of the sickle mutation in long-term engrafting human HSCs. Using RNA-seq, we further find that in vivo erythroid differentiation markedly enriches for cells carrying corrected β-globin alleles. Adoption of a high-fidelity Cas9 variant demonstrates that this approach can yield efficient editing with almost no off-target events. These findings indicate that the sickle mutation can be corrected in human HSCs at levels that are likely to be curative if translated into a therapy.

Sickle Cell Disease (SCD) is a serious recessive genetic disorder caused by a single nucleotide polymorphism (SNP) in the β-globin gene (HBB). Sickle hemoglobin polymerizes within red blood cells (RBCs), causing them to adopt an elongated "sickle" shape. Sickle RBCs damage vasculature, leading to severe symptoms, ultimately diminishing patient quality of life and reducing lifespan. Here, we use co-delivery of a pre-formed Cas9 ribonucleoprotein complex (RNP) and a single-stranded DNA (ssDNA) oligonucleotide donor to drive sequence replacement at the SCD SNP in human CD34+ hematopoietic stem/progenitor cells (HSPCs). Corrected HSPCs from SCD patients produce less sickle hemoglobin protein and correspondingly increased wild-type hemoglobin when differentiated into erythroblasts. When injected into immunocompromised mice, treated HSPCs maintain editing long-term at therapeutically relevant levels. These results demonstrate that the Cas9 RNP/ssDNA donor approach can mediate efficient HSPC gene editing and could form the basis for treatment of SCD by autologous hematopoietic cell transplantation.

Hematopoietic stem cells (HSCs) are the source of all blood components, and genetic defects in these cells are causative of disorders ranging from severe combined immunodeficiency to sickle cell disease. However, genome editing of long-term repopulating HSCs to correct mutated alleles has been challenging. HSCs have the ability to either be quiescent or cycle, with the former linked to stemness and the latter involved in differentiation. Here we investigate the link between cell cycle status and genome editing outcomes at the causative codon for sickle cell disease in adult human CD34+ hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). We show that quiescent HSPCs that are immunophenotypically enriched for engrafting stem cells predominantly repair Cas9-induced double strand breaks (DSBs) through an error-prone non-homologous end-joining (NHEJ) pathway and exhibit almost no homology directed repair (HDR). By contrast, non-quiescent cycling stem-enriched cells repair Cas9 DSBs through both error-prone NHEJ and fidelitous HDR. Pre-treating bulk CD34+ HSPCs with a combination of mTOR and GSK-3 inhibitors to induce quiescence results in complete loss of HDR in all cell subtypes. We used these compounds, which were initially developed to maintain HSCs in culture, to create a new strategy for editing adult human HSCs. CD34+ HSPCs are edited, allowed to briefly cycle to accumulate HDR alleles, and then placed back in quiescence to maintain stemness, resulting in 6-fold increase in HDR/NHEJ ratio in quiescent, stem-enriched cells. Our results reveal the fundamental tension between quiescence and editing in human HSPCs and suggests strategies to manipulate HSCs during therapeutic genome editing.

The challenge of linking intergenic mutations to target genes has limited molecular understanding of human diseases. Here, we show that H3K27ac HiChIP generates high-resolution contact maps of active enhancers and target genes in rare primary human T cell subtypes and coronary artery smooth muscle cells. Differentiation of naive T cells to T helper 17 cells or regulatory T cells creates subtype-specific enhancer-promoter interactions, specifically at regions of shared DNA accessibility. These data provide a principled means of assigning molecular functions to autoimmune and cardiovascular disease risk variants, linking hundreds of noncoding variants to putative gene targets. Target genes identified with HiChIP are further supported by CRISPR interference and activation at linked enhancers, by the presence of expression quantitative trait loci, and by allele-specific enhancer loops in patient-derived primary cells. The majority of disease-associated enhancers contact genes beyond the nearest gene in the linear genome, leading to a four-fold increase of potential target genes for autoimmune and cardiovascular diseases.

The majority of genetic variants associated with common human diseases map to enhancers, non-coding elements that shape cell type-specific transcriptional programs and responses to specific extracellular cues1-3. In order to understand the mechanisms by which non-coding genetic variation contributes to disease, systematic mapping of functional enhancers and their biological contexts is required. Here, we develop an unbiased discovery platform that can identify enhancers for a target gene without prior knowledge of their native functional context. We used tiled CRISPR activation (CRISPRa) to synthetically recruit transcription factors to sites across large genomic regions (>100 kilobases) surrounding two key autoimmunity risk loci, CD69 and IL2RA (interleukin-2 receptor alpha; CD25). We identified several CRISPRa responsive elements (CaREs) with stimulation-dependent enhancer activity, including an IL2RA enhancer that harbors an autoimmunity risk variant. Using engineered mouse models and genome editing of human primary T cells, we found that sequence perturbation of the disease-associated IL2RA enhancer does not block IL2RA expression, but rather delays the timing of gene activation in response to specific extracellular signals. This work develops an approach to rapidly identify functional enhancers within non-coding regions, decodes a key human autoimmunity association, and suggests a general mechanism by which genetic variation can cause immune dysfunction.

Sickle Cell Disease and beta-thalassemia, which are caused by defective or deficient adult beta-globin (HBB) respectively, are the most common serious genetic blood diseases in the world. Expression of the fetal beta-like globin, also known as gamma-globin, can ameliorate both disorders by serving in place of the adult beta-globin. Here we use CRISPR-Cas9 gene editing to explore a putative gamma-globin silencer region identified by comparison of naturally-occurring deletion mutations associated with up-regulated gamma-globin. We find that deletion of a 1.7 kb consensus element or select 350 bp sub-regions from bulk populations of cells increases levels of fetal hemoglobin (HbF) or gamma-globin. Screening of individual sgRNAs in one sub-region revealed three single guides that caused mild increases in gamma;-globin expression. However, clonal cell lines with the 1.7 kb region deleted did not up-regulate gamma-globin and neither did lines with either of two of sub-regions identified in the screen deleted. These data suggest that the region is not an autonomous gamma-globin silencer, and thus by itself is not a suitable therapeutic target in the beta-hemoglobinopathies.

CRISPR/Cas9 nucleases are powerful genome engineering tools, but unwanted cleavage at off-target and previously edited sites remains a major concern. Numerous strategies to reduce unwanted cleavage have been devised, but all are imperfect. Here, we report off-target sites can be shielded from the active Cas9·single guide RNA (sgRNA) complex through the co-administration of dead-RNAs (dRNAs), truncated guide RNAs that direct Cas9 binding but not cleavage. dRNAs can effectively suppress a wide-range of off-targets with minimal optimization while preserving on-target editing, and they can be multiplexed to suppress several off-targets simultaneously. dRNAs can be combined with high-specificity Cas9 variants, which often do not eliminate all unwanted editing. Moreover, dRNAs can prevent cleavage of homology-directed repair (HDR)-corrected sites, facilitating scarless editing by eliminating the need for blocking mutations. Thus, we enable precise genome editing by establishing a novel and flexible approach for suppressing unwanted editing of both off-targets and HDR-corrected sites.

Genome editing using nucleases such as CRISPR-Cas induces programmable DNA damage at a target genomic site but can also affect off-target sites. Here, we develop a powerful, sensitive assay for the unbiased identification of off-target sites that we term DISCOVER-Seq. This approach takes advantage of the recruitment of endogenous DNA repair factors for genome-wide identification of Cas-induced double-strand breaks. One such factor, MRE11, is recruited precisely to double-strand breaks, enabling molecular characterization of nuclease cut sites with single-base resolution. DISCOVER-Seq detects off-targets in cellular models and in vivo upon adenoviral gene editing of mouse livers, paving the way for real-time off-target discovery during therapeutic gene editing. DISCOVER-Seq is furthermore applicable to multiple types of Cas nucleases and provides an unprecedented view of events that precede repair of the affected sites.

Cas9 is a prokaryotic RNA-guided DNA endonuclease that binds substrates tightly in vitro but turns over rapidly when used to manipulate genomes in eukaryotic cells. Little is known about the factors responsible for dislodging Cas9 or how they influence genome engineering. Using a proximity labeling system for unbiased detection of transient protein interactions in cell-free Xenopus laevis egg extract, we identified the dimeric histone chaperone FACT as an interactor of substrate-bound Cas9. Immunodepletion of FACT subunits from extract potently inhibits Cas9 unloading and converts Cas9's activity from multi-turnover to single-turnover. In human cells, depletion of FACT delays genome editing and alters the balance between indel formation and homology directed repair. Depletion of FACT also increases epigenetic marking by dCas9-based transcriptional effectors with concomitant enhancement of transcriptional modulation. FACT thus shapes the intrinsic cellular response to Cas9-based genome manipulation most likely by determining Cas9 residence times.