Abstract The CRISPR–Cas system is a powerful genome editing tool that functions in a diverse array of organisms and cell types. The technology was initially developed to induce targeted mutations in DNA, but CRISPR–Cas has now been adapted to target nucleic acids for a range of purposes. CHOPCHOP is a web tool for identifying CRISPR–Cas single guide RNA (sgRNA) targets. In this major update of CHOPCHOP, we expand our toolbox beyond knockouts. We introduce functionality for targeting RNA with Cas13, which includes support for alternative transcript isoforms and RNA accessibility predictions. We incorporate new DNA targeting modes, including CRISPR activation/repression, targeted enrichment of loci for long-read sequencing, and prediction of Cas9 repair outcomes. Finally, we expand our results page visualization to reveal alternative isoforms and downstream ATG sites, which will aid users in avoiding the expression of truncated proteins. The CHOPCHOP web tool now supports over 200 genomes and we have released a command-line script for running larger jobs and handling unsupported genomes. CHOPCHOP v3 can be found at https://chopchop.cbu.uib.no

Major advances in genome editing have recently been made possible with the development of the TALEN and CRISPR/Cas9 methods. The speed and ease of implementing these technologies has led to an explosion of mutant and transgenic organisms. A rate-limiting step in efficiently applying TALEN and CRISPR/Cas9 methods is the selection and design of targeting constructs. We have developed an online tool, CHOPCHOP (https://chopchop.rc.fas.harvard.edu), to expedite the design process. CHOPCHOP accepts a wide range of inputs (gene identifiers, genomic regions or pasted sequences) and provides an array of advanced options for target selection. It uses efficient sequence alignment algorithms to minimize search times, and rigorously predicts off-target binding of single-guide RNAs (sgRNAs) and TALENs. Each query produces an interactive visualization of the gene with candidate target sites displayed at their genomic positions and color-coded according to quality scores. In addition, for each possible target site, restriction sites and primer candidates are visualized, facilitating a streamlined pipeline of mutant generation and validation. The ease-of-use and speed of CHOPCHOP make it a valuable tool for genome engineering.

The CRISPR/Cas9 system has been implemented in a variety of model organisms to mediate site-directed mutagenesis. A wide range of mutation rates has been reported, but at a limited number of genomic target sites. To uncover the rules that govern effective Cas9-mediated mutagenesis in zebrafish, we targeted over a hundred genomic loci for mutagenesis using a streamlined and cloning-free method. We generated mutations in 85% of target genes with mutation rates varying across several orders of magnitude, and identified sequence composition rules that influence mutagenesis. We increased rates of mutagenesis by implementing several novel approaches. The activities of poor or unsuccessful single-guide RNAs (sgRNAs) initiating with a 5′ adenine were improved by rescuing 5′ end homogeneity of the sgRNA. In some cases, direct injection of Cas9 protein/sgRNA complex further increased mutagenic activity. We also observed that low diversity of mutant alleles led to repeated failure to obtain frame-shift mutations. This limitation was overcome by knock-in of a stop codon cassette that ensured coding frame truncation. Our improved methods and detailed protocols make Cas9-mediated mutagenesis an attractive approach for labs of all sizes.

In just 3 years CRISPR genome editing has transformed biology, and its popularity and potency continue to grow. New CRISPR effectors and rules for locating optimum targets continue to be reported, highlighting the need for computational CRISPR targeting tools to compile these rules and facilitate target selection and design. CHOPCHOP is one of the most widely used web tools for CRISPR- and TALEN-based genome editing. Its overarching principle is to provide an intuitive and powerful tool that can serve both novice and experienced users. In this major update we introduce tools for the next generation of CRISPR advances, including Cpf1 and Cas9 nickases. We support a number of new features that improve the targeting power, usability and efficiency of CHOPCHOP. To increase targeting range and specificity we provide support for custom length sgRNAs, and we evaluate the sequence composition of the whole sgRNA and its surrounding region using models compiled from multiple large-scale studies. These and other new features, coupled with an updated interface for increased usability and support for a continually growing list of organisms, maintain CHOPCHOP as one of the leading tools for CRISPR genome editing. CHOPCHOP v2 can be found at http://chopchop.cbu.uib.no.

As a step towards simplifying and reducing the cost of haplotype resolved de novo assembly, we describe new methods for accurately phasing nanopore data with the Shasta genome assembler and a modular tool for extending phasing to the chromosome scale called GFAse. We test using new variants of Oxford Nanopore Technologies' (ONT) PromethION sequencing, including those using proximity ligation and show that newer, higher accuracy ONT reads substantially improve assembly quality.

Summary The coleoid cephalopods (cuttlefish, octopus, and squid) are a group of soft-bodied marine mollusks that exhibit an array of interesting biological phenomena, including dynamic camouflage, complex social behaviors, prehensile regenerating arms, and large brains capable of learning, memory, and problem-solving [1–10]. The dwarf cuttlefish, Sepia bandensis , is a promising model cephalopod species due to its small size, substantial egg production, short generation time, and dynamic social and camouflage behaviors [11]. Cuttlefish dynamically camouflage to their surroundings by changing the color, pattern and texture of their skin. Camouflage is optically-driven, and is achieved by expanding and contracting hundreds of thousands of pigment-filled saccules (chromatophores) in the skin, which are controlled by motor neurons emanating from the brain. We generated a dwarf cuttlefish brain atlas using magnetic resonance imaging (MRI), deep learning, and histology, and we built an interactive web tool ( cuttlebase.org ) to host the data. Guided by observations in other cephalopods [12–20], we identified 32 brain lobes, including two large optic lobes (75% the total volume of the brain), chromatophore lobes whose motor neurons directly innervate the chromatophores of the color-changing skin, and a vertical lobe that has been implicated in learning and memory. This brain atlas provides a valuable tool for exploring the neural basis of cuttlefish behavior.

Abstract The TGF-beta signals Vg1 (Dvr1/Gdf3) and Nodal form heterodimers to induce vertebrate mesendoderm. The Vg1 proprotein is a monomer retained in the endoplasmic reticulum (ER) and is processed and secreted upon heterodimerization with Nodal, but the mechanisms underlying Vg1 biogenesis are largely elusive. Here we clarify the mechanisms underlying Vg1 retention, processing, secretion and signaling, and introduce a Synthetic Processing (SynPro) system that enables the programmed cleavage of ER-resident and extracellular proteins. First, we find that Vg1 can be processed by intra- or extracellular proteases. Second, Vg1 can be processed without Nodal but requires Nodal for secretion and signaling. Third, Vg1-Nodal signaling activity requires Vg1 processing, whereas Nodal can remain unprocessed. Fourth, Vg1 employs exposed cysteines, glycosylated asparagines, and BiP chaperone-binding motifs for monomer retention in the ER. These observations suggest two mechanisms for rapid mesendoderm induction: chaperone-binding motifs help store Vg1 as an inactive but ready-to-heterodimerize monomer in the ER, and the flexibility of Vg1 processing location allows efficient generation of active heterodimers both intra- and extracellularly. These results establish SynPro as a new in vivo processing system and define molecular mechanisms and motifs that facilitate the generation of active TGF-beta heterodimers. Significance The TGF-beta family members Nodal and Vg1 are the major inducers of mesendoderm formation during vertebrate embryogenesis. We previously established that the Vg1 proprotein is retained in the endoplasmic reticulum (ER), and that Nodal and Vg1 form heterodimers to pattern the early embryo. However, the mechanisms underlying the retention, processing, secretion, and signaling of Vg1 have been unclear. We found two mechanisms that embryos use to efficiently generate active Nodal-Vg1 heterodimers: (1) Vg1 employs its chaperone-binding motifs to ensure its retention as a ready-to-heterodimerize monomer in the ER; (2) Using a newly devised Synthetic Processing (SynPro) System, we found that Vg1 must be processed for signaling to occur, but its processing location is flexible.