A method for CRISPR-based genome editing that harnesses cellular non-homologous end joining activity to achieve targeted DNA knock-in in non-dividing tissues. A current challenge in genome editing is achieving efficient targeted integration of transgenes in post-mitotic cells. These authors develop a method for CRISPR-based genome editing that harnesses the non-homologous-end-joining double-strand-break repair pathway to achieve targeted knock-in in dividing and non-dividing tissues. Although further development is needed to increase efficacy, the authors show the potential application of this method for targeted knock-in in post-mitotic neurons and other non-dividing tissues, and provide initial exploratory data on its potential application for disease correction in retinal pigment epithelium models. Targeted genome editing via engineered nucleases is an exciting area of biomedical research and holds potential for clinical applications. Despite rapid advances in the field, in vivo targeted transgene integration is still infeasible because current tools are inefficient1, especially for non-dividing cells, which compose most adult tissues. This poses a barrier for uncovering fundamental biological principles and developing treatments for a broad range of genetic disorders2. Based on clustered regularly interspaced short palindromic repeat/Cas9 (CRISPR/Cas9)3,4 technology, here we devise a homology-independent targeted integration (HITI) strategy, which allows for robust DNA knock-in in both dividing and non-dividing cells in vitro and, more importantly, in vivo (for example, in neurons of postnatal mammals). As a proof of concept of its therapeutic potential, we demonstrate the efficacy of HITI in improving visual function using a rat model of the retinal degeneration condition retinitis pigmentosa. The HITI method presented here establishes new avenues for basic research and targeted gene therapies.

Aging is the major risk factor for many human diseases. In vitro studies have demonstrated that cellular reprogramming to pluripotency reverses cellular age, but alteration of the aging process through reprogramming has not been directly demonstrated in vivo. Here, we report that partial reprogramming by short-term cyclic expression of Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc (OSKM) ameliorates cellular and physiological hallmarks of aging and prolongs lifespan in a mouse model of premature aging. Similarly, expression of OSKM in vivo improves recovery from metabolic disease and muscle injury in older wild-type mice. The amelioration of age-associated phenotypes by epigenetic remodeling during cellular reprogramming highlights the role of epigenetic dysregulation as a driver of mammalian aging. Establishing in vivo platforms to modulate age-associated epigenetic marks may provide further insights into the biology of aging.

Interspecies blastocyst complementation enables organ-specific enrichment of xenogenic pluripotent stem cell (PSC) derivatives. Here, we establish a versatile blastocyst complementation platform based on CRISPR-Cas9-mediated zygote genome editing and show enrichment of rat PSC-derivatives in several tissues of gene-edited organogenesis-disabled mice. Besides gaining insights into species evolution, embryogenesis, and human disease, interspecies blastocyst complementation might allow human organ generation in animals whose organ size, anatomy, and physiology are closer to humans. To date, however, whether human PSCs (hPSCs) can contribute to chimera formation in non-rodent species remains unknown. We systematically evaluate the chimeric competency of several types of hPSCs using a more diversified clade of mammals, the ungulates. We find that naïve hPSCs robustly engraft in both pig and cattle pre-implantation blastocysts but show limited contribution to post-implantation pig embryos. Instead, an intermediate hPSC type exhibits higher degree of chimerism and is able to generate differentiated progenies in post-implantation pig embryos.

To combat hostile viruses, bacteria and archaea have evolved a unique antiviral defense system composed of clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs), together with CRISPR-associated genes (Cas). The CRISPR/Cas9 system develops an adaptive immune resistance to foreign plasmids and viruses by creating site-specific DNA double-stranded breaks (DSBs). Here we adapt the CRISPR/Cas9 system to human cells for intracellular defense against foreign DNA and viruses. Using HIV-1 infection as a model, our results demonstrate that the CRISPR/Cas9 system disrupts latently integrated viral genome and provides long-term adaptive defense against new viral infection, expression and replication in human cells. We show that engineered human-induced pluripotent stem cells stably expressing HIV-targeted CRISPR/Cas9 can be efficiently differentiated into HIV reservoir cell types and maintain their resistance to HIV-1 challenge. These results unveil the potential of the CRISPR/Cas9 system as a new therapeutic strategy against viral infections.

Partial reprogramming by expression of reprogramming factors (Oct4, Sox2, Klf4 and c-Myc) for short periods of time restores a youthful epigenetic signature to aging cells and extends the life span of a premature aging mouse model. However, the effects of longer-term partial reprogramming in physiologically aging wild-type mice are unknown. Here, we performed various long-term partial reprogramming regimens, including different onset timings, during physiological aging. Long-term partial reprogramming lead to rejuvenating effects in different tissues, such as the kidney and skin, and at the organismal level; duration of the treatment determined the extent of the beneficial effects. The rejuvenating effects were associated with a reversion of the epigenetic clock and metabolic and transcriptomic changes, including reduced expression of genes involved in the inflammation, senescence and stress response pathways. Overall, our observations indicate that partial reprogramming protocols can be designed to be safe and effective in preventing age-related physiological changes. We further conclude that longer-term partial reprogramming regimens are more effective in delaying aging phenotypes than short-term reprogramming.

Mammals have limited regenerative capacity, whereas some vertebrates, like fish and salamanders, are able to regenerate their organs efficiently. The regeneration in these species depends on cell dedifferentiation followed by proliferation. We generate a mouse model that enables the inducible expression of the four Yamanaka factors (Oct-3/4, Sox2, Klf4, and c-Myc, or 4F) specifically in hepatocytes. Transient in vivo 4F expression induces partial reprogramming of adult hepatocytes to a progenitor state and concomitantly increases cell proliferation. This is indicated by reduced expression of differentiated hepatic-lineage markers, an increase in markers of proliferation and chromatin modifiers, global changes in DNA accessibility, and an acquisition of liver stem and progenitor cell markers. Functionally, short-term expression of 4F enhances liver regenerative capacity through topoisomerase2-mediated partial reprogramming. Our results reveal that liver-specific 4F expression in vivo induces cellular plasticity and counteracts liver failure, suggesting that partial reprogramming may represent an avenue for enhancing tissue regeneration.

Reliable approaches to identify stem cell mechanisms that mediate aggressive cancer could have great therapeutic value, based on the growing evidence of embryonic signatures in metastatic cancers. However, how to best identify and target stem-like mechanisms aberrantly acquired by cancer cells has been challenging. We harnessed the power of reprogramming to examine GRP78, a chaperone protein generally restricted to the endoplasmic reticulum in normal tissues, but which is expressed on the cell surface of human embryonic stem cells and many cancer types. We have discovered that (1) cell surface GRP78 (sGRP78) is expressed on iPSCs and is important in reprogramming, (2) sGRP78 promotes cellular functions in both pluripotent and breast cancer cells (3) overexpression of GRP78 in breast cancer cells leads to an induction of a CD24-/CD44+ tumor initiating cell (TIC) population (4) sGRP78+ breast cancer cells are enriched for stemness genes and appear to be a subset of TICs (5) sGRP78+ breast cancer cells show an enhanced ability to seed metastatic organ sites in vivo. These collective findings show that GRP78 has important functions in regulating both pluripotency and oncogenesis, and suggest that sGRP78 marks a stem-like population in breast cancer cells that has increased metastatic potential in vivo.