Methylation Mediation Methylation of cytosine bases, 5-methylcytosine (5mC), in DNA plays an important regulatory role in mammalian genomes. Methylation patterns are often inherited across generations, but they can also be dynamic, suggesting that active DNA demethylation pathways exist. One such pathway, best characterized in plants, involves the removal of the 5mC base, and its replacement by C, via a DNA repair mechanism. Kriaucionis and Heintz (p. 929 , published online 16 April) now show that, as well as 5mC in mammalian genomes, there are also significant amounts of 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) in DNA of Purkinje neurons, which have large nuclei with apparently very little heterochromatin. Tahiliani et al. (p. 930, published online 16 April) find that the protein TET1 is capable of converting 5mC into 5hmC both in vitro and in vivo. 5-Hydroxymethylcytosine is also present in embryonic stem cells, and levels of 5hmC and TET1 show correlated variation during cell differentiation.

The RNA-programmable Cas9 endonuclease cleaves double-stranded DNA at sites complementary to a 20-base-pair guide RNA. The Cas9 system has been used to modify genomes in multiple cells and organisms, demonstrating its potential as a facile genome-engineering tool. We used in vitro selection and high-throughput sequencing to determine the propensity of eight guide-RNA:Cas9 complexes to cleave each of 10(12) potential off-target DNA sequences. The selection results predicted five off-target sites in the human genome that were confirmed to undergo genome cleavage in HEK293T cells upon expression of one of two guide-RNA:Cas9 complexes. In contrast to previous models, our results show that guide-RNA:Cas9 specificity extends past a 7- to 12-base-pair seed sequence. Our results also suggest a tradeoff between activity and specificity both in vitro and in cells as a shorter, less-active guide RNA is more specific than a longer, more-active guide RNA. High concentrations of guide-RNA:Cas9 complexes can cleave off-target sites containing mutations near or within the PAM that are not cleaved when enzyme concentrations are limiting.

A key limitation of the use of the CRISPR–Cas9 system for genome editing and other applications is the requirement that a protospacer adjacent motif (PAM) be present at the target site. For the most commonly used Cas9 from Streptococcus pyogenes (SpCas9), the required PAM sequence is NGG. No natural or engineered Cas9 variants that have been shown to function efficiently in mammalian cells offer a PAM less restrictive than NGG. Here we use phage-assisted continuous evolution to evolve an expanded PAM SpCas9 variant (xCas9) that can recognize a broad range of PAM sequences including NG, GAA and GAT. The PAM compatibility of xCas9 is the broadest reported, to our knowledge, among Cas9 proteins that are active in mammalian cells, and supports applications in human cells including targeted transcriptional activation, nuclease-mediated gene disruption, and cytidine and adenine base editing. Notably, despite its broadened PAM compatibility, xCas9 has much greater DNA specificity than SpCas9, with substantially lower genome-wide off-target activity at all NGG target sites tested, as well as minimal off-target activity when targeting genomic sites with non-NGG PAMs. These findings expand the DNA targeting scope of CRISPR systems and establish that there is no necessary trade-off between Cas9 editing efficiency, PAM compatibility and DNA specificity. Phage-assisted continuous evolution of Cas9 variants with broad PAM compatibility and high DNA specificity that can be used for transcriptional activation, gene disruption and base editing. CRISPR-mediated genome editing makes use of the Cas9 nuclease. However, the canonical Cas9 protein requires the presence of a specific sequence, NGG, to be able to recognize and cut target DNA. David Liu and colleagues developed a series of variant Cas9 proteins (xCas9) that have a broader sequence specificity. These proteins can function in several different contexts, including DNA base editing. One unanticipated property of these xCas9 proteins is that they display lower off-target activity than the canonical Cas9, despite their more numerous targets. The new Cas9 variants thus offer researchers options for a greater breadth of targeting in genome editing, without loss of specificity.

Efficient protein delivery using cationic lipid transfection reagents enables high efficiency protein-based genome editing in vivo and in vitro. Efficient intracellular delivery of proteins is needed to fully realize the potential of protein therapeutics. Current methods of protein delivery commonly suffer from low tolerance for serum, poor endosomal escape and limited in vivo efficacy. Here we report that common cationic lipid nucleic acid transfection reagents can potently deliver proteins that are fused to negatively supercharged proteins, that contain natural anionic domains or that natively bind to anionic nucleic acids. This approach mediates the potent delivery of nM concentrations of Cre recombinase, TALE- and Cas9-based transcription activators, and Cas9:sgRNA nuclease complexes into cultured human cells in media containing 10% serum. Delivery of unmodified Cas9:sgRNA complexes resulted in up to 80% genome modification with substantially higher specificity compared to DNA transfection. This approach also mediated efficient delivery of Cre recombinase and Cas9:sgRNA complexes into the mouse inner ear in vivo, achieving 90% Cre-mediated recombination and 20% Cas9-mediated genome modification in hair cells.

A fusion of the FokI nuclease and a catalytically inactive Cas9 is a highly specific genome editing tool. Genome editing by Cas9, which cleaves double-stranded DNA at a sequence programmed by a short single-guide RNA (sgRNA), can result in off-target DNA modification that may be detrimental in some applications. To improve DNA cleavage specificity, we generated fusions of catalytically inactive Cas9 and FokI nuclease (fCas9). DNA cleavage by fCas9 requires association of two fCas9 monomers that simultaneously bind target sites ∼15 or 25 base pairs apart. In human cells, fCas9 modified target DNA sites with >140-fold higher specificity than wild-type Cas9 and with an efficiency similar to that of paired Cas9 'nickases', recently engineered variants that cleave only one DNA strand per monomer. The specificity of fCas9 was at least fourfold higher than that of paired nickases at loci with highly similar off-target sites. Target sites that conform to the substrate requirements of fCas9 occur on average every 34 bp in the human genome, suggesting the versatility of this approach for highly specific genome-wide editing.

The combined activity of three transcription factors can reprogram adult cells into induced pluripotent stem cells (iPSCs). However, the transgenic methods used for delivering reprogramming factors have raised concerns regarding the future utility of the resulting stem cells. These uncertainties could be overcome if each transgenic factor were replaced with a small molecule that either directly activated its expression from the somatic genome or in some way compensated for its activity. To this end, we have used high-content chemical screening to identify small molecules that can replace Sox2 in reprogramming. We show that one of these molecules functions in reprogramming by inhibiting Tgf-β signaling in a stable and trapped intermediate cell type that forms during the process. We find that this inhibition promotes the completion of reprogramming through induction of the transcription factor Nanog.

Optimization of cytidine and adenine base editors increases editing efficiency. Base editors enable targeted single-nucleotide conversions in genomic DNA. Here we show that expression levels are a bottleneck in base-editing efficiency. We optimize cytidine (BE4) and adenine (ABE7.10) base editors by modification of nuclear localization signals (NLS) and codon usage, and ancestral reconstruction of the deaminase component. The resulting BE4max, AncBE4max, and ABEmax editors correct pathogenic SNPs with substantially increased efficiency in a variety of mammalian cell types.