Abstract Prime editors (PEs) mediate genome modification without utilizing double-stranded DNA breaks or exogenous donor DNA as a template. PEs facilitate nucleotide substitutions or local insertions or deletions within the genome based on the template sequence encoded within the prime editing guide RNA (pegRNA). However, the efficacy of prime editing in adult mice has not been established. Here we report an NLS-optimized SpCas9-based prime editor that improves genome editing efficiency in both fluorescent reporter cells and at endogenous loci in cultured cell lines. Using this genome modification system, we could also seed tumor formation through somatic cell editing in the adult mouse. Finally, we successfully utilize dual adeno-associated virus (AAVs) for the delivery of a split-intein prime editor and demonstrate that this system enables the correction of a pathogenic mutation in the mouse liver. Our findings further establish the broad potential of this genome editing technology for the directed installation of sequence modifications in vivo, with important implications for disease modeling and correction.

Abstract Prime Editor (PE) has tremendous promise for gene therapy. However, it remains a challenge to deliver PE (>6.3 kb) in vivo . Although PE can be split into two fragments and delivered using dual adeno-associated viruses (AAVs), choice of split sites within Cas9 – which affects editing efficiency – is limited due to the large size of PE. Furthermore, the potential effect of overexpressing RT in mammalian cells is largely unknown. Here, we developed a compact PE with complete deletion of the RNase H domain of reverse transcriptase (RT), which showed comparable editing to full-length PE. Using compact PE, we tested the effect of 4 different Cas9 split sites and found that the Glu 573 split site supports robust editing (up to 93% of full-length PE). The compact PE, but not PE2, abolished its binding to eRF1 and showed minimal effect on stop codon readthrough, which therefore might reduce the effects on protein biosynthesis. This study identifies a safe and efficient compact PE2 that enables flexible split-PE design to facilitate efficient delivery in vivo and advance the utility of prime editing.

CRISPR-Cas systems are bacterial adaptive immune pathways that have revolutionized biotechnology and biomedical applications. Despite the potential for human therapeutic development, there are many hurdles that must be overcome before its use in clinical settings. Some clinical safety concerns arise from persistent activity of Cas9 after the desired editing is complete, or from editing activity in unintended cell types or tissues upon in vivo delivery [e.g. by adeno-associated viruses (AAV)]. Although tissue-specific promoters and serotypes with tissue tropisms can be used, suitably compact promoters are not always available for desired cell types, and AAV tissue tropisms are not absolute. To reinforce tissue-specific editing, we exploited anti-CRISPR proteins (Acrs), which are proteins evolved as countermeasures against CRISPR immunity. To inhibit Cas9 in all ancillary tissues without compromising editing in the target tissue, we established a flexible platform in which an Acr transgene is repressed by endogenous, tissue-specific microRNAs (miRNAs). We demonstrate that miRNAs regulate the expression of an Acr transgene bearing miRNA-binding sites in its 3' UTR, and control subsequent genome editing outcomes in a cell-type specific manner. We also show that the strategy is applicable to multiple Cas9 orthologs and their respective Acrs. Furthermore, we demonstrate that in vivo delivery of Cas9 and Acrs that are targeted for repression by liver-specific miR-122 allow editing in the liver while Acrs devoid of miRNA regulation prevent Cas9 activity. This strategy provides additional safeguards against off-tissue genome editing by confining Cas9 activity to selected cell types.

Abstract The blood proteome holds great promise for precision medicine but poses substantial challenges due to the low abundance of most plasma proteins and the vast dynamic range across the proteome. We report a novel proteomic technology – NUcleic acid Linked Immuno-Sandwich Assay (NULISA™) – that incorporates a dual capture and release mechanism to suppress the assay background and improves the sensitivity of the proximity ligation assay by over 10,000-fold to the attomolar level. It utilizes pairs of antibodies conjugated to DNA oligonucleotides that enable immunocomplex purification and generate reporter DNA containing target- and sample-specific barcodes for a next-generation sequencing-based, highly multiplexed readout. A 200-plex NULISA targeting 124 cytokines and chemokines and 80 other immune response-related proteins demonstrated superior sensitivity for detecting low-abundance proteins and high concordance with other immunoassays. The ultrahigh sensitivity allowed the detection of previously difficult-to-detect, but biologically important, low-abundance biomarkers in patients with autoimmune diseases and COVID-19. Fully automated NULISA addresses longstanding challenges in proteomic analysis of liquid biopsies and makes broad and in-depth proteomic analysis accessible to the general research community and future diagnostic applications.

Abstract Prime editors (PEs) mediate genome modification without utilizing double-stranded DNA breaks or exogenous donor DNA as a template. PEs facilitate nucleotide substitutions or local insertions or deletions within the genome based on the template sequence encoded within the prime editing guide RNA (pegRNA). However, the efficacy of prime editing in adult mice has not been established. Here we report an NLS-optimized SpCas9-based prime editor that improves genome editing efficiency in both fluorescent reporter cells and at endogenous loci in cultured cell lines. Using this genome modification system, we could also seed tumor formation through somatic cell editing in the adult mouse. Finally, we successfully utilize dual adeno-associated virus (AAVs) for the delivery of a split-intein prime editor and demonstrate that this system enables the correction of a pathogenic mutation in the mouse liver. Our findings further establish the broad potential of this genome editing technology for the directed installation of sequence modifications in vivo , with important implications for disease modeling and correction.