CRISPR/Cas mediated genome editing has been successfully demonstrated in mammalian cells and further applications for generating mutant mice were reported by injecting humanized Cas9 (hCas) mRNA and single guide RNA into fertilized eggs. Here we inject the circular plasmids expressing hCas9 and sgRNA into mouse zygotes and obtained mutant mice within a month. When we targeted the Cetn1 locus, 58.8% (10/17) of the pups carried the mutations and six of them were homozygously mutated. Co-injection of the plasmids targeting different loci resulted in the successful removal of the flanked region in two out of three mutant pups. The efficient mutagenesis was also observed at the Prm1 locus. Among the 46 offspring carrying CRISPR/Cas plasmid mediated mutations, only two of them carried the hCas9 transgene. The pronuclear injection of circular plasmid expressing hCas9/sgRNA complex is a rapid, simple, and reproducible method for targeted mutagenesis.

Abstract The process of sperm-egg fusion is critical for successful fertilization, yet the underlying mechanisms that regulate these steps have remained unclear in vertebrates. Here, we show that both mouse and zebrafish DCST1 and DCST2 are necessary in sperm to fertilize the egg, similar to their orthologs SPE-42 and SPE-49 in C. elegans and Sneaky in D. melanogaster . Mouse Dcst1 and Dcst2 single knockout (KO) spermatozoa are able to undergo the acrosome reaction and show normal relocalization of IZUMO1, an essential factor for sperm-egg fusion, to the equatorial segment. While both single KO spermatozoa can bind to the oolemma, they rarely fuse with oocytes, resulting in male sterility. Similar to mice, zebrafish dcst1 KO males are subfertile and dcst2 and dcst1/2 double KO males are sterile. Zebrafish dcst1/2 KO spermatozoa are motile and can approach the egg, but rarely bind to the oolemma. These data demonstrate that DCST1/2 are essential for male fertility in two vertebrate species, highlighting their crucial role as conserved factors in fertilization.

SUMMARY Fertilization is the fundamental process that initiates the development of a new individual in all sexually reproducing species. Despite its importance, our understanding of the molecular players that govern mammalian sperm-egg interaction is incomplete, partly because many of the essential factors found in non-mammalian species do not have obvious mammalian homologs. We have recently identified the Ly6/uPAR protein Bouncer as a new, essential fertilization factor in zebrafish (Herberg et al., 2018). Here, we show that Bouncer’s homolog in mammals, SPACA4, is also required for efficient fertilization in mice. In contrast to fish, where Bouncer is expressed specifically in the egg, SPACA4 is expressed exclusively in the sperm. Male knockout mice are severely sub-fertile, and sperm lacking SPACA4 fail to fertilize wild-type eggs in vitro . Interestingly, removal of the zona pellucida rescues the fertilization defect of Spaca4 -deficient sperm in vitro , indicating that SPACA4 is not required for the interaction of sperm and the oolemma but rather of sperm and zona pellucida. Our work identifies SPACA4 as an important sperm protein necessary for zona pellucida penetration during mammalian fertilization.

Summary Oxidative phosphorylation defects results in mitochondrial diseases, with cardiac involvement markedly impacting prognosis. However, the mechanisms underlying the transition from compensation to dysfunction in response to metabolic deficiency remain unclear, impeding the development of effective treatments. Here, we employed single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) on hearts from mitochondrial cardiomyopathy (MCM) mice with cardiac-specific Ndufs6 knockdown (FS6KD). Pseudotime trajectory analysis of cardiomyocytes from early stage of female FS6KD hearts revealed dynamic cellular state transitioning from compensation to severe compromise, coincided with transient upregulation of a critical transcription factor, activating transcription factor 3 ( Atf3) . Genetic ablation or adeno-associated virus-mediated Atf3 knockdown in FS6KD mice effectively delayed cardiomyopathy progression in a female-specific manner. Notably, human MCM snRNA-seq revealed a similar transition, including the dynamic expression of ATF3 . In conclusion, our findings highlight a fate-determining role of Atf3 in female MCM progression, providing a promising therapeutic candidate for the currently intractable disease.