Customized TALENs and Cas9/gRNAs have been used for targeted mutagenesis in zebrafish to induce indels into protein-coding genes. However, indels are usually not sufficient to disrupt the function of non-coding genes, gene clusters or regulatory sequences, whereas large genomic deletions or inversions are more desirable for this purpose. By injecting two pairs of TALEN mRNAs or two gRNAs together with Cas9 mRNA targeting distal DNA sites of the same chromosome, we obtained predictable genomic deletions or inversions with sizes ranging from several hundred bases to nearly 1 Mb. We have successfully achieved this type of modifications for 11 chromosomal loci by TALENs and 2 by Cas9/gRNAs with different combinations of gRNA pairs, including clusters of miRNA and protein-coding genes. Seven of eight TALEN-targeted lines transmitted the deletions and one transmitted the inversion through germ line. Our findings indicate that both TALENs and Cas9/gRNAs can be used as an efficient tool to engineer genomes to achieve large deletions or inversions, including fragments covering multiple genes and non-coding sequences. To facilitate the analyses and application of existing ZFN, TALEN and CRISPR/Cas data, we have updated our EENdb database to provide a chromosomal view of all reported engineered endonucleases targeting human and zebrafish genomes.

Abstract Interspecies chimera formation with human pluripotent stem cells (PSCs) holds great promise to generate humanized animal models and provide donor organs for transplant. However, the approach is currently limited by low levels of human cells ultimately represented in chimeric embryos. Different strategies have been developed to improve chimerism by genetically editing donor human PSCs. To date, however, it remains unexplored if human chimerism can be enhanced in animals through modifying the host embryos. Leveraging the interspecies PSC competition model, here we discovered retinoic acid-inducible gene I (RIG-I)-like receptor (RLR) signaling, an RNA sensor, in “winner” cells plays an important role in the competitive interactions between co-cultured mouse and human PSCs. We found that genetic inactivation of Ddx58/Ifih1-Mavs-Irf7 axis compromised the “winner” status of mouse PSCs and their ability to outcompete PSCs from evolutionarily distant species during co-culture. Furthermore, by using Mavs -deficient mouse embryos we substantially improved unmodified donor human cell survival. Comparative transcriptome analyses based on species-specific sequences suggest contact-dependent human-to-mouse transfer of RNAs likely plays a part in mediating the cross-species interactions. Taken together, these findings establish a previously unrecognized role of RNA sensing and innate immunity in “winner” cells during cell competition and provides a proof-of-concept for modifying host embryos, rather than donor PSCs, to enhance interspecies chimerism.

CRISPR/Cas9 is a powerful genome editing tool that has been successfully applied to a variety of species, including zebrafish. However, targeting efficiencies vary greatly at different genomic loci, the underlying causes of which were still elusive. Here we report a quick CRISPR/Cas9 system, designated as qCas9, which exhibits accelerated turnover of Cas9 protein in zebrafish. Our data showed that qCas9 significantly improved targeting efficiency, including both knock-out and knock-in in F0 embryos, and yielded higher germline transmission rate in founder screen. Importantly, qCas9 showed little to no off-target editing in zebrafish and profoundly reduced off-target effect in HEK293T cell line. In summary, our findings demonstrate that qCas9 is a simple, economic and highly effective method to improve genome editing efficiency in zebrafish embryos and also holds great potential in reducing off-target effect in mammalian cell lines.

Summary In the animal kingdom, evolutionarily conserved mechanisms known as cell competition eliminate unfit cells during development. Interestingly, cell competition also leads to apoptosis of donor cells upon direct contact with host cells from a different species during interspecies chimera formation. The mechanisms underlying how host animal cells recognize and transmit cell death signals to adjacent xenogeneic human cells remain incompletely understood. In this study, we developed an interspecies cell contact reporter system to dissect the mechanisms underlying competitive interactions between mouse and human pluripotent stem cells (PSCs). Through single-cell RNA-seq analyses, we discovered that Ephrin A ligands in mouse cells play a crucial role in signaling cell death to adjacent human cells that express EPHA receptors during interspecies PSC co-culture. We also demonstrated that blocking the Ephrin A-EPHA receptor interaction pharmacologically, and inhibiting Ephrin forward signaling genetically in the mouse cells, enhances the survival of human PSCs and promotes chimera formation both in vitro and in vivo . Our findings elucidate key mechanisms of interspecies PSC competition during early embryogenesis and open new avenues for generating humanized tissues or organs in animals, potentially revolutionizing regenerative medicine.

Abstract mRNA incorporated in lipid nanoparticles (LNPs) became a new class of vaccine modality for induction of immunity against COVID-19 and ushered in a new era in vaccine development. Here, we report a novel, easy-to-execute, and cost effective engineered extracellular vesicles (EVs)-based combined mRNA and protein vaccine platform (EV X-M+P vaccine) and explore its utility in proof-of-concept immunity studies in the settings of cancer and infectious disease. As a first example, we engineered EVs to contain ovalbumin mRNA and protein (EV OvaM+P ) to serve as cancer vaccine against ovalbumin-expressing melanoma tumors. EV OvaM+P administration to mice with established melanoma tumors resulted in tumor regression associated with effective humoral and adaptive immune responses. As a second example, we generated engineered EVs, natural nanoparticle carriers shed by all cells, that contain mRNA and protein Spike (S) protein to serve as a combined mRNA and protein vaccine (EV SpikeM+P vaccine) against SARS-CoV-2 infection. EV SpikeM+P vaccine administration in mice and baboons elicited robust production of neutralizing IgG antibodies against RBD (receptor binding domain) of S protein and S protein specific T cell responses. Our proof-of-concept study describes a new platform with an ability for rapid development of combination mRNA and protein vaccines employing EVs for deployment against cancer and other diseases.

Abstract The seamless transition through stages of pluripotency relies on a delicate balance between transcription factor networks and epigenetic silencing mechanisms that ensure proper regulation of the developmental program, critical for normal development. Here, we uncover the pivotal role of the transgene activation suppressor (TASOR), a component of the human silencing hub (HUSH) complex, in sustaining cell viability during the transition from naive to primed pluripotency, despite its rapid downregulation during this transition. Loss of TASOR in naive cells triggers replication stress, disrupts H3K9me3 heterochromatin formation, and compromise the transcriptional and post-transcriptional silencing of LINE-1 (L1) transposable elements (TEs), with these effects become more pronounced in primed cells. Remarkably, the survival of Tasor- knockout cells during naive to primed transition can be restored through the inhibition of cysteine-aspartic acid protease (Caspase) or deletion of mitochondrial antiviral signaling protein (MAVS). This suggests that unscheduled L1 expression activates an innate immune response, leading to programmed cell death, specifically in cells exiting naïve pluripotency. Additionally, we propose that HUSH-promoted H3K9me3 in naïve PSCs sets the stage for ensuing DNA methylation in primed cells, establishing long-term silencing during differentiation. Our findings shed insights on the crucial impact of epigenetic programs established in early developmental stages on subsequent phases, underscoring their significance in the developmental process.