Genome editing has therapeutic potential for treating genetic diseases and cancer. However, the currently most practicable approaches rely on the generation of DNA double-strand breaks (DSBs), which can give rise to a poorly characterized spectrum of chromosome structural abnormalities. Here, using model cells and single-cell whole-genome sequencing, as well as by editing at a clinically relevant locus in clinically relevant cells, we show that CRISPR-Cas9 editing generates structural defects of the nucleus, micronuclei and chromosome bridges, which initiate a mutational process called chromothripsis. Chromothripsis is extensive chromosome rearrangement restricted to one or a few chromosomes that can cause human congenital disease and cancer. These results demonstrate that chromothripsis is a previously unappreciated on-target consequence of CRISPR-Cas9-generated DSBs. As genome editing is implemented in the clinic, the potential for extensive chromosomal rearrangements should be considered and monitored.

Abstract Transcriptional heterogeneity due to plasticity of the epigenetic state of chromatin contributes to tumour evolution, metastasis and drug resistance 1–3 . However, the mechanisms that cause this epigenetic variation are incompletely understood. Here we identify micronuclei and chromosome bridges, aberrations in the nucleus common in cancer 4,5 , as sources of heritable transcriptional suppression. Using a combination of approaches, including long-term live-cell imaging and same-cell single-cell RNA sequencing (Look-Seq2), we identified reductions in gene expression in chromosomes from micronuclei. With heterogeneous penetrance, these changes in gene expression can be heritable even after the chromosome from the micronucleus has been re-incorporated into a normal daughter cell nucleus. Concomitantly, micronuclear chromosomes acquire aberrant epigenetic chromatin marks. These defects may persist as variably reduced chromatin accessibility and reduced gene expression after clonal expansion from single cells. Persistent transcriptional repression is strongly associated with, and may be explained by, markedly long-lived DNA damage. Epigenetic alterations in transcription may therefore be inherently coupled to chromosomal instability and aberrations in nuclear architecture.

Genome editing has promising therapeutic potential for genetic diseases and cancer (1, 2). However, the most practicable current approaches rely on the generation of DNA double-strand breaks (DSBs), which can give rise to a poorly characterized spectrum of structural chromosomal abnormalities. Here, we show that a catastrophic mutational process called chromothripsis is a previously unappreciated consequence of CRISPR-Cas9-mediated DSBs. Chromothripsis is extensive chromosome rearrangement restricted to one or a few chromosomes that can cause human congenital disease and cancer (3–6). Using model cell systems and a genome editing protocol similar to ones in clinical trials (7) ( NCT03655678 , NCT03745287 ) we show that CRISPR-Cas9-mediated DNA breaks generate abnormal nuclear structures—micronuclei and chromosome bridges—that trigger chromothripsis. Chromothripsis is an on-target toxicity that may be minimized by cell manipulation protocols or screening but cannot be completely avoided in many genome editing applications.

Transcriptional heterogeneity from plasticity of the epigenetic state of chromatin is thought to contribute to tumor evolution, metastasis, and drug resistance 1–3 . However, the mechanisms leading to nongenetic cell-to-cell variation in gene expression remain poorly understood. Here we demonstrate that heritable transcriptional changes can result from the formation of micronuclei, aberrations of the nucleus that are common in cancer 4,5 . Micronuclei have fragile nuclear envelopes (NE) that are prone to spontaneous rupture, which exposes chromosomes to the cytoplasm and disrupts many nuclear activities 6,7 . Using a combination of long-term live-cell imaging and same-cell, single-cell RNA sequencing (Look-Seq2), we identified significant reduction of gene expression in micronuclei, both before and after NE rupture. Furthermore, chromosomes in micronuclei fail to normally recover histone 3 lysine 27 acetylation, a critical step for the reestablishment of normal transcription after mitosis 8–10 . These transcription and chromatin defects can persist into the next generation in a subset of cells, even after these chromosomes are incorporated into normal daughter nuclei. Moreover, persistent transcriptional repression is strongly associated with, and may be explained by, surprisingly long-lived DNA damage to these reincorporated chromosomes. Therefore, heritable alterations in transcription can originate from aberrations of nuclear architecture.