Abstract While neoantigen-specific tumor infiltrating lymphocytes (TIL) can be derived from in antigen-expressing tumors, their adoptive transfer fails to consistently elicit durable tumor regression. There has been much focus on the role of activation/exhaustion markers such as PD1, CD39 and TOX in TIL senescence. We found these markers were inversely expressed to Cytokine-Induced SH2 protein (CISH), a negative regulator of TCR signaling and tumor immunity in mice. To evaluate the physiological role of CISH in human TIL we developed a high-efficiency CRIPSR-based method to knock out CISH in fully mature TIL. CISH KO resulted in increased T cell receptor (TCR) avidity, tumor cytolysis and neoantigen recognition. CISH expression in the tumor resections correlated with TIL inactivity against p53 hotspot mutations and CISH KO in TIL unmasked reactivity against these universal neoantigens. While CISH KO resulted in T cell hyperactivation and expansion it did not alter maturation, perhaps by preferential PLCγ-1 and not AKT inhibition. Lastly, CISH KO in T cells increased PD1 expression and the adoptive transfer of Cish KO T cells synergistically combines with PD1 antibody blockade resulting in durable tumor regression and survival in a preclinical animal model. These data offer new insights into the regulation of neoantigen recognition, expression of activation/exhaustion markers, and functional/maturation signals in tumor-specific T cells.

ABSTRACT Argonautes are nucleases that can be programmed by short oligonucleotides to cleave complementary sequences. Here, we performed an unbiased bioinformatic search to mine bacterial genomes for prokaryotic Argonautes (pAgos) harboring a PIWI domain. Our search identified 3,033 pAgos in total, of which 1,464 portend to the subgroup of long pAgos with more than 600 amino acids. We purified a subset of 49 pAgos which were found in proximity to helicases and tested their nuclease activity in vitro . Ten of these were active towards single-stranded DNA substrates and this activity could be programmed by exogenous guide DNAs or RNAs. Cleavage of double-stranded plasmid DNA was much less readily observed and was fostered by elevated temperatures or exogenous addition of a DNA single-strand binding protein (ET-SSB). The efficiency of pAgo-mediated plasmid cleavage was dependent on the DNA target sequence as well as the surrounding sequence, suggesting that unwinding of the DNA double helix was a limiting factor. Intriguingly, we identified a cluster of pAgos from the Clostridial clade which was active at 37°C and activity was enhanced by exogenous ET-SSB. This suggests that Clostridial pAgos may be particularly suited to catalyze DNA double-strand cleavage and implies that such pAgos may be repurposed as gene editing tools in future.

Understanding the diverse responses of individual cells to the same perturbation is central to many biological and biomedical problems. Current methods, however, fall short in precisely quantifying the heterogenous perturbation responses and, more importantly, unveiling new biological insights from such heterogeneity. Here we introduce the "Perturbation Score" (PS) method, based on constrained quadratic optimization, to quantify diverse perturbation responses at a single-cell level. Applied to single-cell transcriptomes of large-scale genetic perturbation datasets (e.g., Perturb-seq), PS outperforms existing methods in quantifying partial gene perturbation responses. In addition, PS presents two major advances over existing methods. First, PS enables large-scale, single-cell resolution dosage analysis of perturbation, without the need to titrate perturbation strength. By analyzing the dosage-response patterns of over 2,000 essential genes in Perturb-seq, we identify two distinct patterns, depending on whether a moderate reduction in their expression induces strong downstream expression alterations. Second, PS identifies intrinsic and extrinsic biological determinants for perturbation responses. We demonstrate the application of PS in various contexts like T cell stimulation, latent HIV-1 expression, and pancreatic cell differentiation. Notably, PS unveiled a previously unrecognized, cell-type specific role of CCDC6 (coiled-coil domain containing 6) in guiding liver and pancreatic lineage decisions, where CCDC6 knockouts drives the endoderm cell differentiation towards liver lineage, rather than pancreatic lineage. Collectively, our PS approach provides an innovative methodology to perform dosage-to-function analysis and foster new biological discoveries from single-cell perturbation datasets.

Gene knockouts (KOs) are efficiently engineered through CRISPR-Cas9-induced frameshift mutations. While DNA editing efficiency is readily verified by DNA sequencing, a systematic understanding of the efficiency of protein elimination has been lacking. Here, we devised an experimental strategy combining RNA-seq and triple-stage mass spectrometry (SPS-MS3) to characterize 193 genetically verified deletions targeting 136 distinct genes generated by CRISPR-induced frameshifts in HAP1 cells. We observed residual protein expression for about one third of the quantified targets, at variable levels from low to original, and identified two causal mechanisms, translation reinitiation leading to N-terminally truncated target proteins, or skipping of the edited exon leading to protein isoforms with internal sequence deletions. Detailed analysis of three truncated targets, BRD4, DNMT1 and NGLY1, revealed partial preservation of protein function. Our results imply that systematic characterization of residual protein expression or function in CRISPR-Cas9 generated KO lines is necessary for phenotype interpretation.

ABSTRACT Adeno-associated viruses (AAV) have attracted significant attention in the field of gene and cell therapy due to highly effective delivery of therapeutic genes into human cells. The ability to generate recombinant AAV vectors compromised of unique or substituted protein sequences has led to the development of capsid variants with improved therapeutic properties. Seeking a novel AAV capable of enhanced transduction of human T cells for applications in immunotherapy, we have developed a unique capsid variant termed AAV X-Vivo (AAV-XV) that is a chimera of AAV12 VP1/2 sequences and the VP3 sequence of AAV6. This AAV chimera showed enhanced infection of human primary T cells and hematopoietic stem cells, and superiority over wildtype AAV6 for the genomic integration of DNA sequences either by AAV alone or in combination with CRISPR gene editing. AAV-XV demonstrated transduction efficiency equivalent to AAV6 at multiplicities of infection 2 logs lower, enabling T cell engineering at low AAV doses. Analyzing the protein coding sequence of AAV-XV revealed disruptions within the assembly-activating protein (AAP) which likely accounted for observed lower virus yield. A series of genome alterations reverting the AAP sequence back to wildtype had a negative impact on the enhanced transduction seen with AAV-VX, indicating overlapping functions within this sequence for both viral assembly and effective T cell transduction. Our findings show that AAV-XV is highly efficient at T cell engineering at low AAV dose and demonstrates the importance of AAP coding region in both viral particle assembly and cell infection. IMPORTANCE A major hurdle to the therapeutic potential of AAV in gene therapy lies in achieving clinically meaningful AAV doses, and secondarily, ability to manufacture commercially viable titers of AAV to support this. By virtue of neutralizing antibodies against AAV that impede patient repeat-dosing, the dose of AAV for in vivo gene delivery has been high, which has resulted in unfortunate recent safety concerns and deaths in patients given higher-dose AAV gene therapy. We have generated a new AAV variant possessing a unique combination of capsid proteins for ex-vivo application termed AAV-XV, which delivers high levels of cell transduction and gene delivery at a lower MOI. Furthermore, we demonstrate a novel finding, and an important consideration for recombinant AAV design, that a region of the AAV genome encoding the capsid protein and AAP gene is critical for both virus yield and the enhancement of infection/transduction.