Expanding the targeting space of Cas9 CRISPR-Cas9 associates with a guide RNA to target and cleave a specific DNA site next to a protospacer adjacent motif (PAM). Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9), the one most often used for genome editing, only recognizes the NGG sequence (where N is any nucleobase) as the PAM, which restricts regions in the genome that can be targeted. To address this limitation, Nishimasu et al. created a SpCas9 variant that recognizes NG rather than NGG. The SpCas9-NG variant increased the targeting range, had a specificity similar to that of the wild-type enzyme, and could be used with a base editor. Thus, SpCas9-NG is a powerful addition to the CRISPR-Cas9 genome engineering toolbox and will be useful in a broad range of applications, from basic research to clinical therapeutics. Science , this issue p. 1259

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.

Abstract Meiosis is a cell division process with complex chromosome events where various molecules must work in tandem. To find meiosis-related genes, we screened evolutionarily conserved and reproductive tract-enriched genes using the CRISPR/Cas9 system and identified potassium channel tetramerization domain containing 19 ( Kctd19 ) as an essential factor for meiosis. In prophase I, Kctd19 deficiency did not affect synapsis or the DNA damage response, and chiasma structures were also observed in metaphase I spermatocytes of Kctd19 KO mice. However, spermatocytes underwent apoptotic elimination during the metaphase-anaphase transition. We were able to rescue the Kctd19 KO phenotype with an epitope-tagged Kctd19 transgene. Immunoprecipitation-mass spectrometry identified zinc finger protein 541 (ZFP541) and histone deacetylase 1 (HDAC1) as binding partners of KCTD19, indicating that KCTD19 is involved in chromatin modification. Phenotyping of Zfp541 KO spermatocytes demonstrated XY chromosome asynapsis and recurrent DNA damage in the late pachytene stage, leading to apoptosis. In summary, our study reveals that KCTD19 associates with ZFP541 and HDAC1, and that both KCTD19 and ZFP541 were essential for meiotic exit in male mice. Author summary Meiosis is a fundamental process that consisting of one round of genomic DNA replication and two rounds of chromosome segregation producing four haploid cells. To properly distribute their genetic material, cells need to undergo complex chromosome events such as a physical linkage of homologous chromosomes (termed synapsis) and meiotic recombination. The molecules involved in these events have not been fully characterized yet, especially in mammals. Using a CRISPR/Cas9-screening system, we identified the potassium channel tetramerization domain containing 19 ( Kctd19 ) as an essential factor for meiosis in male mice. Further, we identified zinc finger protein 541 (ZFP541) and histone deacetylase 1 (HDAC1) as binding partners of KCTD19. By observing meiosis of Zfp541 knockout germ cells, we found that Zfp541 was also essential for meiotic completion. These results show that the KCTD19/ZFP541 complex plays a critical role and is indispensable for male meiosis and fertility.

The structure of the sperm flagellar axoneme is highly conserved across species and serves the essential function of generating motility to facilitate the meeting of spermatozoa with the egg. During spermiogenesis, the axoneme elongates from the centrosome, and subsequently the centrosome docks onto the nuclear envelope to continue tail biogenesis. Mycbpap is expressed predominantly in mouse and human testes and conserved in Chlamydomonas as FAP147. A previous cryo-electron microscopy analysis has revealed the localization of FAP147 to the central apparatus of the axoneme. Here, we generated Mycbpap knockout mice and demonstrated the essential role of Mycbpap in male fertility. Deletion of Mycbpap led to disrupted centrosome-nuclear envelope docking and abnormal flagellar biogenesis. Furthermore, we generated transgenic mice with tagged MYCBPAP, which restored the fertility of Mycbpap knockout males. Interactome analyses of MYCBPAP using Mycbpap transgenic mice unveiled binding partners of MYCBPAP including central apparatus proteins such as CFAP65 and CFAP70 that constitute the C2a projection and centrosome-associated proteins such as CCP110. These findings provide insights into a MYCBPAP-dependent regulation of the centrosome-nuclear envelope docking and sperm tail biogenesis.

Interspecies blastocyst complementation holds great potential to address the global shortage of transplantable organs by growing human organs in animals. However, a major challenge in this approach is the limited chimerism of human cells in evolutionarily distant animal hosts due to various xenogeneic barriers. Here, we reveal that human pluripotent stem cells (PSCs) struggle to adhere to animal PSCs. To overcome this barrier, we developed a synthetic biology strategy that leverages nanobody-antigen interactions to enhance interspecies cell adhesion. We engineered cells to express nanobodies and their corresponding antigens on their outer membranes, significantly improving adhesion between different species' PSCs during in vitro assays and increasing the chimerism of human PSCs in mouse embryos. Studying and manipulating interspecies pluripotent cell adhesion will provide valuable insights into cell interaction dynamics during chimera formation and early embryogenesis.

Abstract Meiosis is a hallmark event in germ cell development that accompanies sequential chromosome events executed by numerous molecules. Therefore, characterization of these factors is one of the best strategies to clarify the mechanism of meiosis. Here, we report tripartite motif-containing 41 (TRIM41), a ubiquitin ligase E3, as an essential factor for proper meiotic progression and fertility in male mice. Trim41 KO spermatocytes exhibited synaptonemal complex protein 3 (SYCP3) overloading, especially on the X chromosome, showing extensive self-synapsis of X chromosome and non-homologous synapsis between the X chromosome and autosomes. Furthermore, the mutant mice lacking the RING domain of TRIM41, required for the ubiquitin ligase E3 activity, phenocopied Trim41 KO mice. We then examined the behavior of mutant TRIM41 (ΔRING-TRIM41) and found that ΔRING-TRIM41 accumulated on the chromosome axes with overloaded SYCP3. This result showed that TRIM41 exerts the function on the chromosome axes. In summary, our study revealed that Trim41 is essential for preventing SYCP3 overloading and chaotic synapsis of the X chromosome, suggesting a TRIM41-mediated mechanism for regulating unsyapsed axes during male meiotic progression. Summary statement Trim41 -disruption caused abnormal synapsis configuration of the X chromosome and complete infertility in male mice. Thus, TRIM41 prevents the sex chromosome from chaotic synapsis.