Abstract Genetically modifying T cells can enable applications ranging from cancer immunotherapy to HIV treatment, yet delivery of T cell-targeted therapeutics remains challenging. Extracellular vesicles (EVs) are nanoscale particles secreted by all cells that naturally encapsulate and transfer proteins and nucleic acids, making them an attractive and clinically-relevant platform for engineering biocompatible delivery vehicles. We report a suite of technologies for genetically engineering cells to produce multifunctional EV vehicles—without employing chemical modifications that complicate biomanufacturing. We display high affinity targeting domains on the EV surface to achieve specific, efficient binding to T cells, identify a protein tag to confer active cargo loading into EVs, and display fusogenic glycoproteins to increase EV uptake and fusion with recipient cells. We demonstrate integration of these technologies by delivering Cas9-sgRNA complexes to edit primary human T cells. These approaches could enable targeting vesicles to a range of cells for the efficient delivery of cargo.

ABSTRACT RNA folds cotranscriptionally to traverse out-of-equilibrium intermediate structures that are important for RNA function in the context of gene regulation. To investigate this process, here we study the structure and function of the Bacillus subtilis yxjA purine riboswitch, a transcriptional riboswitch that downregulates a nucleoside transporter in response to binding guanine. Although the aptamer and expression platform domain sequences of the yxjA riboswitch do not completely overlap, we hypothesized that a strand exchange process triggers its structural switching in response to ligand binding. In vivo fluorescence assays, structural chemical probing data, and experimentally informed secondary structure modeling suggest the presence of a nascent intermediate central helix. The formation of this central helix in the absence of ligand appears to compete with both the aptamer’s P1 helix and the expression platform’s transcriptional terminator. All-atom molecular dynamics simulations support the hypothesis that ligand binding stabilizes the aptamer P1 helix against central helix strand invasion, thus allowing the terminator to form. These results present a potential model mechanism to explain how ligand binding can induce downstream conformational changes by influencing local strand displacement processes of intermediate folds that could be at play in multiple riboswitch classes.

A central question in biology is how RNA sequence changes influence dynamic conformational changes during cotranscriptional folding. Here we investigated this question through the study of transcriptional fluoride riboswitches, non-coding RNAs that sense the fluoride anion through the coordinated folding and rearrangement of a pseudoknotted aptamer domain and a downstream intrinsic terminator expression platform. Using a combination of E. coli RNA polymerase in vitro transcription and cellular gene expression assays, we characterized the function of mesophilic and thermophilic fluoride riboswitch variants. We showed that only variants containing the mesophilic pseudoknot function at 37 C. We next systematically varied the pseudoknot sequence and found that a single wobble base pair is critical for function. Characterizing thermophilic variants at 65 C through Thermus aquaticus RNA polymerase in vitro transcription showed the importance of this wobble pair for function even at elevated temperatures. Finally, we performed all-atom molecular dynamics simulations which supported the experimental findings, visualized the RNA structure switching process, and provided insight into the important role of magnesium ions. Together these studies provide deeper insights into the role of riboswitch sequence in influencing folding and function that will be important for understanding of RNA-based gene regulation and for synthetic biology applications.

Cotranscriptional RNA folding forms structural intermediates that can be critically important for RNA biogenesis. This is especially true for transcriptional riboswitches that must undergo ligand-dependent structural changes during transcription to regulate the synthesis of downstream genes. Here, we systematically map the folding states traversed by the Clostridium beijerinckii pfl riboswitch as it controls transcription termination in response to the purine biosynthetic intermediate ZMP. We find that after rearrangement of a non-native hairpin to form the ZTP aptamer, cotranscriptional ZMP binding stabilizes two structural elements that lead to antitermination by tuning the efficiency of terminator hairpin nucleation and strand displacement. We also uncover biases within natural ZTP riboswitch sequences that could avoid misfolded intermediates that disrupt function. Our findings establish a mechanism for ZTP riboswitch control of transcription that has similarities to the mechanisms of diverse riboswitches and provide evidence of selective pressure at the level of cotranscriptional RNA folding pathways.