We have recently completed a full re-architecturing of the ROSETTA molecular modeling program, generalizing and expanding its existing functionality. The new architecture enables the rapid prototyping of novel protocols by providing easy-to-use interfaces to powerful tools for molecular modeling. The source code of this rearchitecturing has been released as ROSETTA3 and is freely available for academic use. At the time of its release, it contained 470,000 lines of code. Counting currently unpublished protocols at the time of this writing, the source includes 1,285,000 lines. Its rapid growth is a testament to its ease of use. This chapter describes the requirements for our new architecture, justifies the design decisions, sketches out central classes, and highlights a few of the common tasks that the new software can perform.

We recently found that nucleosomes directly block access of CRISPR/Cas9 to DNA (<xref ref-type="bibr" rid="bib25">Horlbeck et al., 2016</xref>). Here, we build on this observation with a comprehensive algorithm that incorporates chromatin, position, and sequence features to accurately predict highly effective single guide RNAs (sgRNAs) for targeting nuclease-dead Cas9-mediated transcriptional repression (CRISPRi) and activation (CRISPRa). We use this algorithm to design next-generation genome-scale CRISPRi and CRISPRa libraries targeting human and mouse genomes. A CRISPRi screen for essential genes in K562 cells demonstrates that the large majority of sgRNAs are highly active. We also find CRISPRi does not exhibit any detectable non-specific toxicity recently observed with CRISPR nuclease approaches. Precision-recall analysis shows that we detect over 90% of essential genes with minimal false positives using a compact 5 sgRNA/gene library. Our results establish CRISPRi and CRISPRa as premier tools for loss- or gain-of-function studies and provide a general strategy for identifying Cas9 target sites.

A framework for open discourse on the use of CRISPR-Cas9 technology to manipulate the human genome is urgently needed

CRISPR/Cas9-based therapeutics, especially those that can correct gene mutations via homology directed repair (HDR), have the potential to revolutionize the treatment of genetic diseases. However, HDR-based therapeutics are challenging to develop because they require simultaneous in vivo delivery of Cas9 protein, guide RNA and donor DNA. Here, we demonstrate that a delivery vehicle composed of gold nanoparticles conjugated to DNA and complexed with cationic endosomal disruptive polymers can deliver Cas9 ribonucleoprotein and donor DNA into a wide variety of cell types, and efficiently correct the DNA mutation that causes Duchenne muscular dystrophy in mice via local injection, with minimal off-target DNA damage.

Macromolecular modeling and design are increasingly useful in basic research, biotechnology, and teaching. However, the absence of a user-friendly modeling framework that provides access to a wide range of modeling capabilities is hampering the wider adoption of computational methods by non-experts. RosettaScripts is an XML-like language for specifying modeling tasks in the Rosetta framework. RosettaScripts provides access to protocol-level functionalities, such as rigid-body docking and sequence redesign, and allows fast testing and deployment of complex protocols without need for modifying or recompiling the underlying C++ code. We illustrate these capabilities with RosettaScripts protocols for the stabilization of proteins, the generation of computationally constrained libraries for experimental selection of higher-affinity binding proteins, loop remodeling, small-molecule ligand docking, design of ligand-binding proteins, and specificity redesign in DNA-binding proteins.

Proteins can be designed that bind to specific patches on target proteins to alter their subsequent interactions.

The challenge of linking intergenic mutations to target genes has limited molecular understanding of human diseases. Here we show that H3K27ac HiChIP generates high-resolution contact maps of active enhancers and target genes in rare primary human T cell subtypes and coronary artery smooth muscle cells. Differentiation of naive T cells into T helper 17 cells or regulatory T cells creates subtype-specific enhancer-promoter interactions, specifically at regions of shared DNA accessibility. These data provide a principled means of assigning molecular functions to autoimmune and cardiovascular disease risk variants, linking hundreds of noncoding variants to putative gene targets. Target genes identified with HiChIP are further supported by CRISPR interference and activation at linked enhancers, by the presence of expression quantitative trait loci, and by allele-specific enhancer loops in patient-derived primary cells. The majority of disease-associated enhancers contact genes beyond the nearest gene in the linear genome, leading to a fourfold increase in the number of potential target genes for autoimmune and cardiovascular diseases.

Genetic diseases of blood cells are prime candidates for treatment through ex vivo gene editing of CD34

Spotting off-targets from gene editing Unintended genomic modifications limit the potential therapeutic use of gene-editing tools. Available methods to find off-targets generally do not work in vivo or detect single-nucleotide changes. Three papers in this issue report new methods for monitoring gene-editing tools in vivo (see the Perspective by Kempton and Qi). Wienert et al. followed the recruitment of a DNA repair protein to DNA breaks induced by CRISPR-Cas9, enabling unbiased detection of off-target editing in cellular and animal models. Zuo et al. identified off-targets without the interference of natural genetic heterogeneity by injecting base editors into one blastomere of a two-cell mouse embryo and leaving the other genetically identical blastomere unedited. Jin et al. performed whole-genome sequencing on individual, genome-edited rice plants to identify unintended mutations. Cytosine, but not adenine, base editors induced numerous single-nucleotide variants in both mouse and rice. Science , this issue p. 286 , p. 289 , p. 292 ; see also p. 234

CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats)-Cas9 gene editing technology is derived from a microbial adaptive immune system, where bacteriophages are often the intended target. Natural inhibitors of CRISPR-Cas9 enable phages to evade immunity and show promise in controlling Cas9-mediated gene editing in human cells. However, the mechanism of CRISPR-Cas9 inhibition is not known, and the potential applications for Cas9 inhibitor proteins in mammalian cells have not been fully established. We show that the anti-CRISPR protein AcrIIA4 binds only to assembled Cas9-single-guide RNA (sgRNA) complexes and not to Cas9 protein alone. A 3.9 Å resolution cryo-electron microscopy structure of the Cas9-sgRNA-AcrIIA4 complex revealed that the surface of AcrIIA4 is highly acidic and binds with a 1:1 stoichiometry to a region of Cas9 that normally engages the DNA protospacer adjacent motif. Consistent with this binding mode, order-of-addition experiments showed that AcrIIA4 interferes with DNA recognition but has no effect on preformed Cas9-sgRNA-DNA complexes. Timed delivery of AcrIIA4 into human cells as either protein or expression plasmid allows on-target Cas9-mediated gene editing while reducing off-target edits. These results provide a mechanistic understanding of AcrIIA4 function and demonstrate that inhibitors can modulate the extent and outcomes of Cas9-mediated gene editing.