Prediction of RNA structure from sequence remains an unsolved problem, and progress has been slowed by a paucity of experimental data. Here, we present Ribonanza, a dataset of chemical mapping measurements on two million diverse RNA sequences collected through Eterna and other crowdsourced initiatives. Ribonanza measurements enabled solicitation, training, and prospective evaluation of diverse deep neural networks through a Kaggle challenge, followed by distillation into a single, self-contained model called RibonanzaNet. When fine tuned on auxiliary datasets, RibonanzaNet achieves state-of-the-art performance in modeling experimental sequence dropout, RNA hydrolytic degradation, and RNA secondary structure, with implications for modeling RNA tertiary structure.

The CRISPR-Cas adaptive immune system defends microbes against foreign genetic elements via DNA or RNA-DNA interference. We characterize the Class 2 type VI-A CRISPR-Cas effector C2c2 and demonstrate its RNA-guided RNase function. C2c2 from the bacterium Leptotrichia shahii provides interference against RNA phage. In vitro biochemical analysis show that C2c2 is guided by a single crRNA and can be programmed to cleave ssRNA targets carrying complementary protospacers. In bacteria, C2c2 can be programmed to knock down specific mRNAs. Cleavage is mediated by catalytic residues in the two conserved HEPN domains, mutations in which generate catalytically inactive RNA-binding proteins. These results broaden our understanding of CRISPR-Cas systems and suggest that C2c2 can be used to develop new RNA-targeting tools.

The RNA-guided endonuclease Cpf1 is a promising tool for genome editing in eukaryotic cells. Compared to other genome editing platforms, Cpf1 offers distinct advantages, such as the ability to easily target multiple genes simultaneously, as well as low rates of off-target activity. However, the Acidaminococcus sp. BV3L6 Cpf1 (AsCpf1), which has been successfully harnessed for genome editing, can only robustly cleave target sites preceded by a TTTV protospacer adjacent motif (PAM), which may limit its practical utility. To address this limitation, we used a structure- guided saturation mutagenesis screen to increase the targeting range of Cpf1. We engineered two variants of AsCpf1 with the mutations S542R/K607R and S542R/K548V/N552R that can cleave target sites with TYCV/CCCC and TATV PAMs, respectively, with enhanced activities in vitro and in human cells. Genome-wide assessment of off-target activity indicated that these variants retain a high level of DNA targeting specificity, which can be further improved by introducing mutations in non-PAM-interacting domains. Together, these variants increase the targeting range of AsCpf1 to one cleavage site for every ~8.7 bp in non-repetitive regions of the human genome, providing a useful addition to the CRISPR/Cas genome engineering toolbox.

CRISPR-Cas adaptive immune systems defend microbes against foreign nucleic acids via RNA- guided endonucleases. Using a computational sequence database mining approach, we identify two Class 2 CRISPR-Cas systems (subtype VI-B) that lack Cas1 and Cas2 and encompass a single large effector protein, Cas13b, along with one of two previously uncharacterized associated proteins, Csx27 or Csx28. We establish that these CRISPR-Cas systems can achieve RNA interference when heterologously expressed. Through a combination of biochemical and genetic experiments, we show that Cas13b processes its own CRISPR array with short and long direct repeats, cleaves target RNA, and exhibits collateral RNase activity. Using an E. coli essential gene screen, we demonstrate that Cas13b has a double-sided protospacer-flanking sequence and elucidate RNA secondary structure requirements for targeting. We also find that Csx27 represses, whereas Csx28 enhances, Cas13b-mediated RNA interference. Characterization of these CRISPR systems creates opportunities to develop tools to manipulate and monitor cellular transcripts.