Neisseria meningitidis, a commensal β-proteobacterium residing exclusively in the human nasopharynx, is a leading cause of sepsis and epidemic meningitis worldwide. While comparative genome analysis was able to define hyperinvasive lineages that are responsible for most of the cases of invasive meningococcal disease (IMD), the genetic basis of their virulence remains unclear. Recent studies demonstrate that the type II C CRISPR/Cas system of meningococci is associated with carriage and less invasive lineages. CRISPR/Cas, an adaptive defence system against foreign DNA, was shown to be involved in gene regulation in Francisella novicida. This study shows that knockout strains of N. meningitidis lacking the Cas9 protein are impaired in the adhesion to human nasopharyngeal cells in a strain-dependant manner, which constitutes a central step in the pathogenesis of IMD. Consequently, this study indicates that the meningococcal CRISPR/Cas system fulfils functions beyond the defence of foreign DNA and is involved in the regulation of meningococcal virulence. / Neisseria meningitidis, ein ß-Proteobakterium, welches als Kommensale ausschließlich den humanen Nasopharynx besiedelt, ist ein weltweit führender Verursacher von Sepsis und epidemischer Meningitis. Auch wenn mittels vergleichender Genomanalysen hyperinvasive Stämme definiert werden konnten, welche für die meisten Fälle von invasiven Meningokokkenerkrankungen verantwortlich sind, bleibt die genetische Grundlage ihrer Virulenz ungeklärt. In vorangegangenen Studien konnte gezeigt werden, dass das Typ II-C CRISPR/Cas-System der Meningokokken assoziiert ist mit Trägerstämmen. CRISPR/Cas ist ein adaptives Verteidigungssystem der Bakterien gegen fremde DNA, das darüber hinaus Aufgaben in der Genregulation von Francisella novicida erfüllt. Diese Arbeit zeigt, dass knockout Stämme von N. meningitidis, denen das Cas9-Protein fehlt, in Abhängigkeit von ihrem genetischen Hintergrund die Fähigkeit verlieren an Zellen des menschlichen Nasopharynx zu adhärieren. Die Adhäsion an den Wirtszellen stellt einen zentralen Schritt in der Pathogenese der invasiven Meningokokkenerkrankungen dar. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass das CRISPR/Cas-System in Meningokokken neben seiner Funktion als bakterielles Immunsystem an der Regulation der bakteriellen Virulenz beteiligt sein könnte.

Die Rolle von Connexinen und Gap Junction-vermittelter Kommunikation in pluripotenten Stammzellen sowie der frühen Embryonalentwicklung sind bis heute nicht vollständig aufgeklärt. Mutationen in humanen Connexinen verursachen eine Vielzahl von Krankheiten. Connexin-defiziente iPS Zellen stellen eine gute Basis für die Erforschung der Rolle von Connexinen während der Embryonalentwicklung und bei der Krankheitsentstehung dar. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das CRISPR/Cas9-System in pluripotenten Stammzellen erfolgreich anzuwenden und ein Protokoll zur Erstellung verschiedener Cx43-Defektmutanten zu entwerfen. Nach der Etablierung der CRSIPR/Cas9-Methode in HEK293T-Zellen konnte in der vorliegenden Arbeit darüber hinaus erfolgreich eine Cx43-Defizienz in FSiPS-Zellen erzeugt werden. Weiterhin wurden mehrere Cx43-Mutanten geschaffen und initial auf Pluripotenzmarker und ihr Differenzierungspotential untersucht. Diese Arbeit bildet die Basis für weitere Untersuchungen des Cx43 in iPS-Zellklonen und davon abgeleiteten Zelltypen sowie artifiziellen 3D-Gewebekulturen. Darüber hinaus bildet sie die Grundlage für die Bildung weiterer Connexin-Defektmutanten sowie von iPS-Zellen mit krankheitsrelevanten Mutationen. / The roles of connexins and gap junction-mediated communication in pluripotent stem cells and early embryonic development have not been fully elucidated to date. Mutations in human connexins cause a variety of diseases. Connexin-deficient iPS cells provide a good basis for studying the role of connexins during embryonic development and in disease development. The aim of the present work was to successfully apply the CRISPR/Cas9 system in pluripotent stem cells and to design a protocol to generate different Cx43 defective mutants. Furthermore, after establishing the CRSIPR/Cas9 method in HEK293T cells, a Cx43 deficiency in FSiPS cells was successfully generated. Furthermore, several Cx43 mutants were created and initially screened for pluripotency markers and their differentiation potential. This work forms the basis for further studies of Cx43 in iPS cell clones and derived cell types as well as artificial 3D tissue cultures. Furthermore, it forms the basis for the generation of further connexin defect mutants as well as iPS cells with disease-relevant mutations.

The discovery and development of clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats and CRISPR-associated proteins (CRISPR-Cas) systems have revolutionized targeted genomic medicine. In my thesis, we discuss our efforts to improve and optimize various CRISPR-Cas systems for therapeutic genome editing applications. In part one, we propose that aberrant splice site disruption could be a simple and efficient strategy for treating some mutations associated with β-thalassemia. Specifically, we show that disruption of common mutant alleles in the HBB gene by Cas9 and Cas12a results in restoration of normal β-globin splicing, functional expression of HBB, and improved quality of erythroid maturation in edited β-thalassemia patient CD34+ hematopoietic stem and progenitor cells. In part two, we demonstrate that optimization of the nuclear localization signal (NLS) sequence framework is an effective method to improve the mutagenesis frequencies of Cas12a nuclease. In particular, the 3xNLS-NLP-cMyc-cMyc framework improves genome editing in mammalian and primary cells, relative to previous Cas12a NLS frameworks. We show that our NLS optimization approach can be applied to various Cas12a orthologs resulting in high editing activity without sacrificing the high intrinsic specificity of Cas12a nucleases. Furthermore, we demonstrate that NLS-optimized enAspCas12a can efficiently disrupt the ATF4-binding motif at the +55 enhancer of BCL11A, which may serve as an alternative therapeutic strategy for β-hemoglobinopathies. In part three, we develop and characterize fusion enhanced base editor (feBE) systems, which are fusions of base editors to our Cas9-programmable DNA binding domain (pDBD) and Cas9-Cas9 platforms. We report that our feBEs are more active than previously described base editor platforms at canonical and noncanonical PAMs. Furthermore, we show that feBEs can selectively edit a therapeutically relevant target site, CCR5, with minimal editing at a highly homologous off-target site. Taken together, my thesis research aimed to engineer CRISPR-Cas tools to improve their efficiency and specificity for therapeutic genome editing applications.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第21687号 / 医博第4493号 / 新制||医||1036(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 竹内 理, 教授 清水 章, 教授 遊佐 宏介 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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La dystrophie musculaire de Duchenne est une maladie génétique qui résulte de diverses mutations dans le gène DMD, codant pour la protéine dystrophine. 70% des patients ont une délétion d'exons ou de parties d'exons provoquant un changement dans le cadre de lecture, résultant en l'apparition d'un codon stop et en l'absence de la protéine dystrophine. Plusieurs traitements potentiels ont été explorés dans les dernières années pour cette maladie, dont le système CRISPR-Cas9, un outil génétique permettant d'éliminer un segment d'ADN à l'aide de la protéine nucléase Cas9 et de deux guides d'ARN ciblant des séquences précises d'ADN. Le plus grand défi avec l'utilisation de cette technologie est sa livraison in vivo. Les vésicules extracellulaires sont des particules membranaires lipidiques qui jouent un rôle dans la communication intercellulaire et sont retrouvées dans tous les biofluides chez les mammifères. Elles pourraient donc être une alternative intéressante pour la livraison du système CRISPR-Cas9. J'ai participé à des travaux de purification de vésicules extracellulaires de sérum par chromatographie par exclusion de taille. Ces vésicules extracellulaires ont été chargées avec la protéine Cas9 et des guides ARN, puis, des injections intramusculaires ont été effectuées dans le Tibialis anterior de trois lignées de souris (Ai9, RAG-mdx et mdx/hDMD) pour établir l'efficacité du traitement. Les résultats ont montré que les vésicules extracellulaires chargées avec la Cas9 et des guides d'ARN provoquent une édition de l'ADN efficace dans le Tibialis anterior des trois lignées de souris utilisées et la restauration de l'expression de la protéine dystrophine dans les fibres musculaires du Tibialis anterior des souris RAG-mdx, modèle pour la dystrophie musculaire de Duchenne. Le traitement a ensuite été modifié pour permettre le ciblage des vésicules extracellulaires aux organes affectés par la dystrophie musculaire de Duchenne, soit le cœur et les muscles squelettiques. Des peptides de ciblage ont été sélectionnés dans la littérature et insérés dans la membrane des vésicules extracellulaires marquées de façon fluorescente à l'aide d'un segment lipidique stéaryl. Les résultats de l'expérience effectuée avec les vésicules extracellulaires ciblées n'ont pas été concluants en raison d'un marquage mal adapté des vésicules injectées, mais de futures expériences permettront d'élucider leur efficacité. L'ajustement du traitement pour permettre une injection systémique rejoignant le cœur et les muscles squelettiques est indispensable à l'application de celui-ci à la clinique. / Duchenne muscular dystrophy is a genetic disease that affects one in 3500 boys and results from mutations in the DMD gene, which codes for dystrophin protein. 70% of patients have an exon deletion, which results in a shift in the reading frame, the apparition of a stop codon, and the absence of the dystrophin protein. Many different potential treatments have been explored for Duchenne muscular dystrophy, including the CRISPRCas9 system. This technology allows for the modification of genomic DNA through a Cas9 nuclease and two guide RNAs designed to target a specific DNA sequence. The biggest challenge with using the CRISPR system is delivery. The classic vectors for CRISPR, such as AAV, can cause many adverse effects like immunological responses. Extracellular vesicles are membranous particles that play a role in intercellular communication and are found in all mammalian biofluids. They are thus an interesting alternative for the delivery of the Cas9 protein and its guide RNAs. I have participated in a research project aiming to purify serum extracellular vesicles by size-exclusion chromatography and to load them with Cas9 and two guide RNAs. These extracellular vesicles were then injected intramuscularly into the Tibialis anterior muscles of three mouse strains (Ai9, RAG-mdx and mdx/hDMD) to assess treatment efficiency. The injection of Cas9 and guide RNA-loaded extracellular vesicles produced efficient gene editing as well as dystrophin expression restauration. To modify the treatment for systemic injection, targeting peptides were added to EV membrane through a lipid stearyl segment. This was done to target the extracellular vesicles to Duchenne muscular dystrophy-affected organs: heart and skeletal muscles. Results of the targeted-extracellular vesicle experiment were inconclusive, however, with more experiments, the efficacy of the targeting peptides should be determinable. It is essential to adjust this treatment to allow for targeted systemic delivery for it to be applicable to the clinic.

付記する学位プログラム名: 京都大学卓越大学院プログラム「メディカルイノベーション大学院プログラム」 / 京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医科学) / 甲第25007号 / 医科博第154号 / 新制||医科||10(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医科学専攻 / (主査)教授 遊佐 宏介, 教授 萩原 正敏, 教授 齋藤 潤 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

<p dir="ltr">The CRISPR-Cas systems, originally evolved as bacterial and archaeal adaptive immune systems against viral infections, have been ingeniously repurposed for genome editing. The ongoing evolutionary competition between bacteria and phages has given rise to the diversification of CRISPR-Cas systems, which can be broadly classified into two classes and six types. Among these, the versatile CRISPR type V family stands out as a promising source for discovering new CRISPR-Cas effectors to expand the genome editing toolbox. However, before proceeding to genome editing applications, it is imperative to get a comprehensive understanding of the mechanisms underlying how Cas effectors function as programmable RNA-guided nucleases. Structural studies play a pivotal role in elucidating these mechanisms, providing a clear picture of processes such as DNA recognition and cleavage.</p><p><br></p><p dir="ltr">In the first part of this thesis, we embarked on determining the cryo-EM structures of an extraordinarily small type V-F CRISPR-Cas effector, Cas12f. Our findings unveiled that Cas12f functions as an asymmetric dimer. Through structural analysis and mutagenesis experiments, we elucidated the mechanisms of PAM recognition and substrate cleavage by Cas12f. Furthermore, we provided insights into the activation mechanism of Cas12f by monitoring its conformational changes before and after the crRNA-target DNA heteroduplex formation. Our results contribute to our understanding of the type V Cas effector nucleases and hold promise for possible applications of genome editing.</p><p><br></p><p dir="ltr">In the second part, we focused on study of CRISPR-associated transposons (CASTs). Specifically, we delved into Cas12k, a component of the type V-K CRISPR-Cas system, which is a naturally inactivated nuclease but is interestingly associated with transposons and is capable for guiding transposition. We determined the structure of Cas12k in complex with the guide RNA and target DNA. Our studies revealed target site recognition mechanism and the structural features of Cas12k critical for downstream CIRPSR-guided DNA transposition.</p><p><br></p><p dir="ltr">Lastly, we directed our attention towards the ancestor of CRISPR type V systems, TnpB, which serves as a minimal programmable RNA-guided DNA nuclease originating from the IS200/IS605-like transposon family. To reveal the molecular mechanisms of substrate recognition and cleavage, multiple approaches including artificial dimers was introduced to obtained the cryo-EM structure of <i>Isdra2</i> TnpB-gRNA-target DNA ternary complex. Furthermore, our exploration extended to the investigation of newly emerged TnpB variants. Among these variants, one was identified as a naturally occurring transcription repressor. We attained the cryo-EM structure of this variant at 3.12 Å and currently working on understanding its mechanism.</p>

La dystrophie musculaire de Duchenne est une maladie génétique qui résulte de diverses mutations dans le gène DMD, codant pour la protéine dystrophine. 70% des patients ont une délétion d'exons ou de parties d'exons provoquant un changement dans le cadre de lecture, résultant en l'apparition d'un codon stop et en l'absence de la protéine dystrophine. Plusieurs traitements potentiels ont été explorés dans les dernières années pour cette maladie, dont le système CRISPR-Cas9, un outil génétique permettant d'éliminer un segment d'ADN à l'aide de la protéine nucléase Cas9 et de deux guides d'ARN ciblant des séquences précises d'ADN. Le plus grand défi avec l'utilisation de cette technologie est sa livraison in vivo. Les vésicules extracellulaires sont des particules membranaires lipidiques qui jouent un rôle dans la communication intercellulaire et sont retrouvées dans tous les biofluides chez les mammifères. Elles pourraient donc être une alternative intéressante pour la livraison du système CRISPR-Cas9. J'ai participé à des travaux de purification de vésicules extracellulaires de sérum par chromatographie par exclusion de taille. Ces vésicules extracellulaires ont été chargées avec la protéine Cas9 et des guides ARN, puis, des injections intramusculaires ont été effectuées dans le Tibialis anterior de trois lignées de souris (Ai9, RAG-mdx et mdx/hDMD) pour établir l'efficacité du traitement. Les résultats ont montré que les vésicules extracellulaires chargées avec la Cas9 et des guides d'ARN provoquent une édition de l'ADN efficace dans le Tibialis anterior des trois lignées de souris utilisées et la restauration de l'expression de la protéine dystrophine dans les fibres musculaires du Tibialis anterior des souris RAG-mdx, modèle pour la dystrophie musculaire de Duchenne. Le traitement a ensuite été modifié pour permettre le ciblage des vésicules extracellulaires aux organes affectés par la dystrophie musculaire de Duchenne, soit le cœur et les muscles squelettiques. Des peptides de ciblage ont été sélectionnés dans la littérature et insérés dans la membrane des vésicules extracellulaires marquées de façon fluorescente à l'aide d'un segment lipidique stéaryl. Les résultats de l'expérience effectuée avec les vésicules extracellulaires ciblées n'ont pas été concluants en raison d'un marquage mal adapté des vésicules injectées, mais de futures expériences permettront d'élucider leur efficacité. L'ajustement du traitement pour permettre une injection systémique rejoignant le cœur et les muscles squelettiques est indispensable à l'application de celui-ci à la clinique. / Duchenne muscular dystrophy is a genetic disease that affects one in 3500 boys and results from mutations in the DMD gene, which codes for dystrophin protein. 70% of patients have an exon deletion, which results in a shift in the reading frame, the apparition of a stop codon, and the absence of the dystrophin protein. Many different potential treatments have been explored for Duchenne muscular dystrophy, including the CRISPRCas9 system. This technology allows for the modification of genomic DNA through a Cas9 nuclease and two guide RNAs designed to target a specific DNA sequence. The biggest challenge with using the CRISPR system is delivery. The classic vectors for CRISPR, such as AAV, can cause many adverse effects like immunological responses. Extracellular vesicles are membranous particles that play a role in intercellular communication and are found in all mammalian biofluids. They are thus an interesting alternative for the delivery of the Cas9 protein and its guide RNAs. I have participated in a research project aiming to purify serum extracellular vesicles by size-exclusion chromatography and to load them with Cas9 and two guide RNAs. These extracellular vesicles were then injected intramuscularly into the Tibialis anterior muscles of three mouse strains (Ai9, RAG-mdx and mdx/hDMD) to assess treatment efficiency. The injection of Cas9 and guide RNA-loaded extracellular vesicles produced efficient gene editing as well as dystrophin expression restauration. To modify the treatment for systemic injection, targeting peptides were added to EV membrane through a lipid stearyl segment. This was done to target the extracellular vesicles to Duchenne muscular dystrophy-affected organs: heart and skeletal muscles. Results of the targeted-extracellular vesicle experiment were inconclusive, however, with more experiments, the efficacy of the targeting peptides should be determinable. It is essential to adjust this treatment to allow for targeted systemic delivery for it to be applicable to the clinic.