Clustered, regularly interspaced, short palindromic repeat (CRISPR) RNA-guided nucleases (RGNs) are highly efficient genome editing tools. CRISPR-associated 9 (Cas9) RGNs are directed to genomic loci by guide RNAs (gRNAs) containing 20 nucleotides that are complementary to a target DNA sequence. However, RGNs can induce mutations at sites that differ by as many as five nucleotides from the intended target. Here we report that truncated gRNAs, with shorter regions of target complementarity <20 nucleotides in length, can decrease undesired mutagenesis at some off-target sites by 5,000-fold or more without sacrificing on-target genome editing efficiencies. In addition, use of truncated gRNAs can further reduce off-target effects induced by pairs of Cas9 variants that nick DNA (paired nickases). Our results delineate a simple, effective strategy to improve the specificities of Cas9 nucleases or paired nickases.

Transcription activator–like effector nucleases (TALENs) enable genetic modification at specific sites in a genome. Reyon et al. present a method for high-throughput generation of TALENs, facilitating large-scale genome engineering. Engineered transcription activator–like effector nucleases (TALENs) have shown promise as facile and broadly applicable genome editing tools. However, no publicly available high-throughput method for constructing TALENs has been published, and large-scale assessments of the success rate and targeting range of the technology remain lacking. Here we describe the fast ligation-based automatable solid-phase high-throughput (FLASH) system, a rapid and cost-effective method for large-scale assembly of TALENs. We tested 48 FLASH-assembled TALEN pairs in a human cell–based EGFP reporter system and found that all 48 possessed efficient gene-modification activities. We also used FLASH to assemble TALENs for 96 endogenous human genes implicated in cancer and/or epigenetic regulation and found that 84 pairs were able to efficiently introduce targeted alterations. Our results establish the robustness of TALEN technology and demonstrate that FLASH facilitates high-throughput genome editing at a scale not currently possible with other genome modification technologies.

Custom-made zinc-finger nucleases (ZFNs) can induce targeted genome modifications with high efficiency in cell types including Drosophila, C. elegans, plants, and humans. A bottleneck in the application of ZFN technology has been the generation of highly specific engineered zinc-finger arrays. Here we describe OPEN (Oligomerized Pool ENgineering), a rapid, publicly available strategy for constructing multifinger arrays, which we show is more effective than the previously published modular assembly method. We used OPEN to construct 37 highly active ZFN pairs which induced targeted alterations with high efficiencies (1%–50%) at 11 different target sites located within three endogenous human genes (VEGF-A, HoxB13, and CFTR), an endogenous plant gene (tobacco SuRA), and a chromosomally integrated EGFP reporter gene. In summary, OPEN provides an “open-source” method for rapidly engineering highly active zinc-finger arrays, thereby enabling broader practice, development, and application of ZFN technology for biological research and gene therapy.

Context-dependent assembly (CoDA) of zinc finger nucleases is reported. Starting from an archive of zinc finger modules known to function well together, effective multifinger arrays can be constructed using standard techniques. Also in this issue, Doyon et al. report rational design of nucleases with improved cleavage activity. Engineered zinc-finger nucleases (ZFNs) enable targeted genome modification. Here we describe context-dependent assembly (CoDA), a platform for engineering ZFNs using only standard cloning techniques or custom DNA synthesis. Using CoDA-generated ZFNs, we rapidly altered 20 genes in Danio rerio, Arabidopsis thaliana and Glycine max. The simplicity and efficacy of CoDA will enable broad adoption of ZFN technology and make possible large-scale projects focused on multigene pathways or genome-wide alterations.

A fusion protein comprising a TALE DNA-targeting domain and the 5-methylcytosine hydroxylase TET1 enables investigation of the function of specific DNA methylation events. Genome-wide studies have defined cell type–specific patterns of DNA methylation1 that are important for regulating gene expression in both normal development2 and disease3. However, determining the functional significance of specific methylation events remains challenging, owing to the lack of methods for removing such modifications in a targeted manner. Here we describe an approach for efficient targeted demethylation of specific CpGs in human cells using fusions of engineered transcription activator–like effector (TALE) repeat arrays and the TET1 hydroxylase catalytic domain. Using these TALE-TET1 fusions, we demonstrate that modification of critical methylated promoter CpG positions can lead to substantial increases in the expression of endogenous human genes. Our results delineate a strategy for understanding the functional significance of specific CpG methylation marks in the context of endogenous gene loci and validate programmable DNA demethylation reagents with potential utility for research and therapeutic applications.

ZiFiT (Zinc Finger Targeter) is a simple and intuitive web-based tool that provides an interface to identify potential binding sites for engineered zinc finger proteins (ZFPs) in user-supplied DNA sequences. In this updated version, ZiFiT identifies potential sites for ZFPs made by both the modular assembly and OPEN engineering methods. In addition, ZiFiT now integrates additional tools and resources including scoring schemes for modular assembly, an interface with the Zinc Finger Database (ZiFDB) of engineered ZFPs, and direct querying of NCBI BLAST servers for identifying potential off-target sites within a host genome. Taken together, these features facilitate design of ZFPs using reagents made available to the academic research community by the Zinc Finger Consortium. ZiFiT is freely available on the web without registration at http://bindr.gdcb.iastate.edu/ZiFiT/.

We have previously reported a simple and customizable CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) RNA-guided Cas9 nuclease (RGN) system that can be used to efficiently and robustly introduce somatic indel mutations in endogenous zebrafish genes. Here we demonstrate that RGN-induced mutations are heritable, with efficiencies of germline transmission reaching as high as 100%. In addition, we extend the power of the RGN system by showing that these nucleases can be used with single-stranded oligodeoxynucleotides (ssODNs) to create precise intended sequence modifications, including single nucleotide substitutions. Finally, we describe and validate simple strategies that improve the targeting range of RGNs from 1 in every 128 basepairs (bps) of random DNA sequence to 1 in every 8 bps. Together, these advances expand the utility of the CRISPR-Cas system in the zebrafish beyond somatic indel formation to heritable and precise genome modifications.

We performed targeted mutagenesis of a transgene and nine endogenous soybean (Glycine max) genes using zinc-finger nucleases (ZFNs). A suite of ZFNs were engineered by the recently described context-dependent assembly platform--a rapid, open-source method for generating zinc-finger arrays. Specific ZFNs targeting dicer-like (DCL) genes and other genes involved in RNA silencing were cloned into a vector under an estrogen-inducible promoter. A hairy-root transformation system was employed to investigate the efficiency of ZFN mutagenesis at each target locus. Transgenic roots exhibited somatic mutations localized at the ZFN target sites for seven out of nine targeted genes. We next introduced a ZFN into soybean via whole-plant transformation and generated independent mutations in the paralogous genes DCL4a and DCL4b. The dcl4b mutation showed efficient heritable transmission of the ZFN-induced mutation in the subsequent generation. These findings indicate that ZFN-based mutagenesis provides an efficient method for making mutations in duplicate genes that are otherwise difficult to study due to redundancy. We also developed a publicly accessible Web-based tool to identify sites suitable for engineering context-dependent assembly ZFNs in the soybean genome.