Standard protocols for the generation of adenoassociated virus type 2 (AAV-2)-based vectors for human gene therapy applications require cotransfection of cells with a recombinant AAV (rAAV) vector plasmid and a packaging plasmid that provides the AAV rep and cap genes. The transfected cells must also be overinfected with a helper virus, e.g., adenovirus (Ad), which delivers multiple helper functions necessary for rAAV production. Therefore, rAAV stocks produced using these protocols are contaminated with helper adenovirus. The generation of a novel packaging/helper plasmid, pDG, containing all AAV and Ad functions required for amplification and packaging of AAV vector plasmids, is described here. Cotransfection of cells with pDG and an AAV vector plasmid was sufficient for production of infectious rAAV, resulting in helper virus-free rAAV stocks. The rAAV titers obtained using pDG as packaging plasmid were up to 10-fold higher than those achieved using conventional protocols for rAAV production. Replacement of the AAV-2 p5 promoter by an MMTV-LTR promoter in pDG led to reduced expression of Rep78/68; however, expression of the VP proteins was significantly increased compared with VP levels from standard packaging plasmids. Immunofluorescence analyses showed that the strong accumulation of VP proteins in pDG-transfected cells resulted in enhanced AAV capsid assembly, which is limiting for efficient rAAV production. Furthermore, using a monoclonal antibody highly specific for AAV-2 capsids (A20), an rAAV affinity purification procedure protocol was established. The application of the tools described here led to a significant improvement in recombinant AAV vector production and purification. Two novel tools allowing a simplified and more efficient generation and purification of adenoassociated virus type 2 (AAV-2)-derived vectors are described here. First, the generation of an AAV/adenovirus hybrid plasmid, pDG, which contains all packaging and helper functions required for production of recombinant AAV (rAAV), is reported. Cotransfection of cells with pDG and an AAV vector plasmid led to production of several hundred infectious rAAV particles per transfected cell. Using pDG as a helper plasmid, generation of rAAV was no longer dependent on overinfection of the cells with adenovirus, resulting in helper virus-free rAAV stocks. Second, an rAAV affinity purification procedure based on the monoclonal antibody A20, which specifically recognizes assembled AAV-2 capsids, is described. Detailed analyses of rAAV production using the new packaging and purification tools in comparison with standard protocols are presented.

ABSTRACT Adeno-associated virus (AAV) serotypes differ broadly in transduction efficacies and tissue tropisms and thus hold enormous potential as vectors for human gene therapy. In reality, however, their use in patients is restricted by prevalent anti-AAV immunity or by their inadequate performance in specific targets, exemplified by the AAV type 2 (AAV-2) prototype in the liver. Here, we attempted to merge desirable qualities of multiple natural AAV isolates by an adapted DNA family shuffling technology to create a complex library of hybrid capsids from eight different wild-type viruses. Selection on primary or transformed human hepatocytes yielded pools of hybrids from five of the starting serotypes: 2, 4, 5, 8, and 9. More stringent selection with pooled human antisera (intravenous immunoglobulin [IVIG]) then led to the selection of a single type 2/type 8/type 9 chimera, AAV-DJ, distinguished from its closest natural relative (AAV-2) by 60 capsid amino acids. Recombinant AAV-DJ vectors outperformed eight standard AAV serotypes in culture and greatly surpassed AAV-2 in livers of naïve and IVIG-immunized mice. A heparin binding domain in AAV-DJ was found to limit biodistribution to the liver (and a few other tissues) and to affect vector dose response and antibody neutralization. Moreover, we report the first successful in vivo biopanning of AAV capsids by using a new AAV-DJ-derived viral peptide display library. Two peptides enriched after serial passaging in mouse lungs mediated the retargeting of AAV-DJ vectors to distinct alveolar cells. Our study validates DNA family shuffling and viral peptide display as two powerful and compatible approaches to the molecular evolution of novel AAV vectors for human gene therapy applications.

Recent evidence has contradicted the prevailing view that homeostasis and regeneration of the adult liver are mediated by self duplication of lineage-restricted hepatocytes and biliary epithelial cells. These new data suggest that liver progenitor cells do not function solely as a backup system in chronic liver injury; rather, they also produce hepatocytes after acute injury and are in fact the main source of new hepatocytes during normal hepatocyte turnover. In addition, other evidence suggests that hepatocytes are capable of lineage conversion, acting as precursors of biliary epithelial cells during biliary injury. To test these concepts, we generated a hepatocyte fate-tracing model based on timed and specific Cre recombinase expression and marker gene activation in all hepatocytes of adult Rosa26 reporter mice with an adenoassociated viral vector. We found that newly formed hepatocytes derived from preexisting hepatocytes in the normal liver and that liver progenitor cells contributed minimally to acute hepatocyte regeneration. Further, we found no evidence that biliary injury induced conversion of hepatocytes into biliary epithelial cells. These results therefore restore the previously prevailing paradigms of liver homeostasis and regeneration. In addition, our new vector system will be a valuable tool for timed, efficient, and specific loop out of floxed sequences in hepatocytes.

ABSTRACT Adeno-associated virus serotype 8 (AAV8) is currently emerging as a powerful gene transfer vector, owing to its capability to efficiently transduce many different tissues in vivo. While this is believed to be in part due to its ability to uncoat more readily than other AAV serotypes such as AAV2, understanding all the processes behind AAV8 transduction is important for its application and optimal use in human gene therapy. Here, we provide the first report of a cellular receptor for AAV8, the 37/67-kDa laminin receptor (LamR). We document binding of LamR to AAV8 capsid proteins and intact virions in vitro and demonstrate its contribution to AAV8 transduction of cultured cells and mouse liver in vivo. We also show that LamR plays a role in transduction by three other closely related serotypes (AAV2, -3, and -9). Sequence and deletion analysis allowed us to map LamR binding to two protein subdomains predicted to be exposed on the AAV capsid exterior. Use of LamR, which is constitutively expressed in many clinically relevant tissues and is overexpressed in numerous cancers, provides a molecular explanation for AAV8's broad tissue tropism. Along with its robust transduction efficiency, our findings support the continued development of AAV8-based vectors for clinical applications in humans, especially for tumor gene therapy.

All living things experience an increase in entropy, manifested as a loss of genetic and epigenetic information. In yeast, epigenetic information is lost over time due to the relocalization of chromatin-modifying proteins to DNA breaks, causing cells to lose their identity, a hallmark of yeast aging. Using a system called “ICE” (inducible changes to the epigenome), we find that the act of faithful DNA repair advances aging at physiological, cognitive, and molecular levels, including erosion of the epigenetic landscape, cellular exdifferentiation, senescence, and advancement of the DNA methylation clock, which can be reversed by OSK-mediated rejuvenation. These data are consistent with the information theory of aging, which states that a loss of epigenetic information is a reversible cause of aging.

We have used multiplexed high-throughput sequencing to characterize changes in small RNA populations that occur during viral infection in animal cells. Small RNA-based mechanisms such as RNA interference (RNAi) have been shown in plant and invertebrate systems to play a key role in host responses to viral infection. Although homologs of the key RNAi effector pathways are present in mammalian cells, and can launch an RNAi-mediated degradation of experimentally targeted mRNAs, any role for such responses in mammalian host-virus interactions remains to be characterized. Six different viruses were examined in 41 experimentally susceptible and resistant host systems. We identified virus-derived small RNAs (vsRNAs) from all six viruses, with total abundance varying from “vanishingly rare” (less than 0.1% of cellular small RNA) to highly abundant (comparable to abundant micro-RNAs “miRNAs”). In addition to the appearance of vsRNAs during infection, we saw a number of specific changes in host miRNA profiles. For several infection models investigated in more detail, the RNAi and Interferon pathways modulated the abundance of vsRNAs. We also found evidence for populations of vsRNAs that exist as duplexed siRNAs with zero to three nucleotide 3′ overhangs. Using populations of cells carrying a Hepatitis C replicon, we observed strand-selective loading of siRNAs onto Argonaute complexes. These experiments define vsRNAs as one possible component of the interplay between animal viruses and their hosts.

Abstract Its remarkable ease and efficiency make the CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) DNA editing machinery highly attractive as a new tool for experimental gene annotation and therapeutic genome engineering in eukaryotes. Here, we report a versatile set of plasmids and vectors derived from adeno‐associated virus (AAV) that allow robust and specific delivery of the two essential CRISPR components – Cas9 and chimeric g(uide)RNA – either alone or in combination. All our constructs share a modular design that enables simple and stringent guide RNA (gRNA) cloning as well as rapid exchange of promoters driving Cas9 or gRNA. Packaging into potent synthetic AAV capsids permits CRISPR delivery even into hard‐to‐transfect targets, as shown for human T‐cells. Moreover, we demonstrate the feasibility to direct Cas9 expression to or away from hepatocytes, using a liver‐specific promoter or a hepatic miRNA binding site, respectively. We also report a streamlined and economical protocol for detection of CRISPR‐induced mutations in less than 3 h. Finally, we provide original evidence that AAV/CRISPR vectors can be exploited for gene engineering in vivo, as exemplified in the liver of adult mice. Our new tools and protocols should foster the broad application of CRISPR technology in eukaryotic cells and organisms, and accelerate its clinical translation into humans.

The ectopic expression of the transcription factors OCT4, SOX2, KLF4 and MYC (OSKM) enables reprogramming of differentiated cells into pluripotent embryonic stem cells. Methods based on partial and reversible in vivo reprogramming are a promising strategy for tissue regeneration and rejuvenation. However, little is known about the barriers that impair reprogramming in an in vivo context. We report that natural killer (NK) cells significantly limit reprogramming, both in vitro and in vivo. Cells and tissues in the intermediate states of reprogramming upregulate the expression of NK-activating ligands, such as MULT1 and ICAM1. NK cells recognize and kill partially reprogrammed cells in a degranulation-dependent manner. Importantly, in vivo partial reprogramming is strongly reduced by adoptive transfer of NK cells, whereas it is significantly increased by their depletion. Notably, in the absence of NK cells, the pancreatic organoids derived from OSKM-expressing mice are remarkably large, suggesting that ablating NK surveillance favours the acquisition of progenitor-like properties. We conclude that NK cells pose an important barrier for in vivo reprogramming, and speculate that this concept may apply to other contexts of transient cellular plasticity.

Abstract The adult mammalian brain entails a reservoir of neural stem cells (NSCs) generating glial cells and neurons. However, NSCs become increasingly quiescent with age, which hampers their regenerative capacity. New means are therefore required to genetically modify adult NSCs for re-enabling endogenous brain repair. Recombinant adeno-associated viruses (AAVs) are ideal gene therapy vectors due to an excellent safety profile and high transduction efficiency. We thus conducted a high-throughput screening of 177 intraventricularly injected barcoded AAV variants profiled by RNA sequencing. Quantification of barcoded AAV mRNAs identified two synthetic capsids, AAV9_A2 and AAV1_P5, both of which transduce active and quiescent NSCs. Further optimization of AAV1_P5 by judicious selection of promoter and dose of injected viral genomes enabled labeling of 30-60% of the NSC compartment, which was validated by FACS analyses and single cell RNA sequencing. Importantly, transduced NSC readily produced neurons. The present study identifies AAV variants with a high regional tropism towards the v-SVZ with high efficiency in targeting adult NSCs, thereby paving the way for preclinical testing of regenerative gene therapy.