In recent years, CRISPR-associated (Cas) nucleases have revolutionized the genome editing field. Being guided by an RNA to cleave double-stranded (ds) DNA targets near a short sequence termed a protospacer adjacent motif (PAM), Cas9 and Cas12 offer unprecedented flexibility, however, more compact versions would simplify delivery and extend application. Here, we present a collection of 10 exceptionally compact (422-603 amino acids) CRISPR-Cas12f nucleases that recognize and cleave dsDNA in a PAM dependent manner. Categorized as class 2 type V-F, they originate from the previously identified Cas14 family and distantly related type V-U3 Cas proteins found in bacteria. Using biochemical methods, we demonstrate that a 5' T- or C-rich PAM sequence triggers dsDNA target cleavage. Based on this discovery, we evaluated whether they can protect against invading dsDNA in Escherichia coli and find that some but not all can. Altogether, our findings show that miniature Cas12f nucleases can protect against invading dsDNA like much larger class 2 CRISPR effectors and have the potential to be harnessed as programmable nucleases for genome editing.

Abstract Transposition has a key role in reshaping genomes of all living organisms 1 . Insertion sequences of IS200/IS605 and IS607 families 2 are among the simplest mobile genetic elements and contain only the genes that are required for their transposition and its regulation. These elements encode tnpA transposase, which is essential for mobilization, and often carry an accessory tnpB gene, which is dispensable for transposition. Although the role of TnpA in transposon mobilization of IS200/IS605 is well documented, the function of TnpB has remained largely unknown. It had been suggested that TnpB has a role in the regulation of transposition, although no mechanism for this has been established 3–5 . A bioinformatic analysis indicated that TnpB might be a predecessor of the CRISPR–Cas9/Cas12 nucleases 6–8 . However, no biochemical activities have been ascribed to TnpB. Here we show that TnpB of Deinococcus radiodurans ISDra2 is an RNA-directed nuclease that is guided by an RNA, derived from the right-end element of a transposon, to cleave DNA next to the 5′-TTGAT transposon-associated motif. We also show that TnpB could be reprogrammed to cleave DNA target sites in human cells. Together, this study expands our understanding of transposition mechanisms by highlighting the role of TnpB in transposition, experimentally confirms that TnpB is a functional progenitor of CRISPR–Cas nucleases and establishes TnpB as a prototype of a new system for genome editing.

To expand the repertoire of Cas9s available for genome targeting, we present a new in vitro method for the simultaneous examination of guide RNA and protospacer adjacent motif (PAM) requirements. The method relies on the in vitro cleavage of plasmid libraries containing a randomized PAM as a function of Cas9-guide RNA complex concentration. Using this method, we accurately reproduce the canonical PAM preferences for Streptococcus pyogenes, Streptococcus thermophilus CRISPR3 (Sth3), and CRISPR1 (Sth1). Additionally, PAM and sgRNA solutions for a novel Cas9 protein from Brevibacillus laterosporus are provided by the assay and are demonstrated to support functional activity in vitro and in plants.

Argonaute (Ago) proteins are found in all three domains of life. The so-called long Agos are composed of four major domains (N, PAZ, MID, and PIWI) and contribute to RNA silencing in eukaryotes (eAgos) or defence against invading mobile genetic elements in prokaryotes (pAgos). The majority (~60%) of pAgos identified bioinformatically are shorter (comprised of only MID and PIWI domains) and are typically associated with Sir2, Mrr or TIR domain-containing proteins. The cellular function and mechanism of short pAgos remain enigmatic. Here, we show that Geobacter sulfurreducens short pAgo and the NAD + -bound Sir2-protein form a stable heterodimeric complex. The GsSir2/Ago complex presumably recognizes invading plasmid or phage DNA and activates the Sir2 subunit, which triggers endogenous NAD + depletion and cell death, and prevents the propagation of invading DNA. We reconstituted NAD + depletion activity in vitro and showed that activated GsSir2/Ago complex functions as a NADase that hydrolyses NAD + to ADPR. Thus, short Sir2-associated pAgos provide defence against phages and plasmids and underscores the diversity of mechanisms of prokaryotic Agos.

Abstract TIR domains are central components of pattern recognition immune proteins across all domains of life. In both bacteria and plants, TIR-domain proteins were shown to recognize pathogen invasion and then produce immune signaling molecules exclusively comprising nucleotide moieties. Here we show that the TIR domain protein of the type II Thoeris defense system in bacteria produces a unique signaling molecule comprising the amino acid histidine conjugated to ADP-ribose (His-ADPR). His-ADPR is generated in response to phage infection and activates the cognate Thoeris effector by binding a Macro domain located at the C-terminus of the effector protein. By determining the crystal structure of a ligand-bound Macro domain, we describe the structural basis for His-ADPR recognition. Our analyses furthermore reveal a family of phage proteins that bind and sequester His-ADPR signaling molecules, allowing phages to evade TIR- mediated immunity. These data demonstrate diversity in bacterial TIR signaling and reveal a new class of TIR-derived immune signaling molecules combining nucleotide and amino acid moieties.

Monitoring of DNA-protein interactions is essential in understanding many biological processes. Proteins must find their target site on a DNA molecule to perform their function, and the mechanisms for target search differ across proteins. Revealing temporal interactions with two target sites, both in Cis and in Trans, is crucial in target search mechanisms studies. Here, we present two single-molecule Forster resonance energy transfer (smFRET)-based assays to study BfiI-DNA interactions. The first assay, smFRET-based DNA looping assay, detects both "Phi" and "U"-shaped DNA looping events. We modified it to only allow in Trans BfiI-target DNA interactions to improve specificity and reduce limitations in the observation time. Our TIRF microscopy measurements directly observe the on- and off-target binding events and characterize BfiI binding events. Our results show that BfiI binding events last longer on target sites and that the BfiI rarely changes conformations during binding. This newly developed assay could be useful for other two-targets-binding DNA-interacting proteins and could be employed for dsDNA substrate BfiI-PAINT, which is useful for DNA stretch-assays and other super-resolution fluorescence microscopy studies.

ABSTRACT Background Argonaute (Ago) proteins are found in all three domains of life. The best characterized group is eukaryotic Argonautes (eAgos), which are the core of RNA interference. The best understood prokaryotic Ago (pAgo) proteins are full-length pAgos. They are monomeric proteins, all composed of four major structural/functional domains (N, PAZ, MID and PIWI) and thereby closely resemble eAgos. It is believed that full-length pAgos function as prokaryotic antiviral systems, with the PIWI domain performing cleavage of invading nucleic acids. However, the majority of identified pAgos are shorter and catalytically inactive (encode just MID and inactive PIWI domains), thus their action mechanism and function remain unknown. Results In this work we focus on AfAgo, a short pAgo protein encoded by an archaeon Archaeoglobus fulgidus . We find that in all previously solved AfAgo structures, its two monomers form substantial dimerization interfaces involving the C-terminal β-sheets. Led by this finding, we have employed various biochemical and biophysical assays, including single-molecule FRET, SAXS and AFM, to test the possible dimerization of AfAgo. SAXS results confirm that WT AfAgo, but not the dimerization surface mutant AfAgoΔ, forms a homodimer both in the apo-form and when bound to a nucleic acid. Single molecule FRET and AFM studies demonstrate that the dimeric WT AfAgo binds two ends of a linear DNA fragment, forming a relatively stable DNA loop. Conclusion Our results show that contrary to other characterized Ago proteins, AfAgo is a stable homodimer in solution, which is capable of simultaneous interaction with two DNA molecules. This finding broadens the range of currently known Argonaute-nucleic acid interaction mechanisms.

In recent years, CRISPR-associated (Cas) nucleases have revolutionized the genome editing field. Being guided by an RNA to cleave double-stranded (ds) DNA targets near a short sequence termed a protospacer adjacent motif (PAM), Cas9 and Cas12 offer unprecedented flexibility, however, more compact versions would simplify delivery and extend application. Here, we present a collection of 10 exceptionally compact (422-603 amino acids) CRISPR-Cas nucleases that recognize and cleave dsDNA in PAM dependent manner. Categorized as class 2 type V-F they come from the Cas14 family and distantly related type V-U3 Cas proteins found in bacteria. Using biochemical methods, we demonstrate that a 5’ T- or C-rich PAM sequence triggers double stranded (ds) DNA target cleavage. Based on this discovery, we evaluated whether they can protect against invading dsDNA in E. coli and find that some but not all can. Altogether, our findings show that miniature Cas nucleases are functional CRISPR-Cas defense systems and have the potential to be harnessed as programmable nucleases for genome editing.