CRISPR-Cas9, which imparts adaptive immunity against foreign genomic invaders in certain prokaryotes, has been repurposed for genome engineering applications. More recently, another RNA-guided CRISPR endonuclease called Cpf1 (also known as Cas12a) was identified and is also being repurposed. Little is known about the kinetics and mechanism of Cpf1 DNA interaction and how sequence mismatches between the DNA target and guide-RNA influence this interaction. We have used single-molecule fluorescence imaging and biochemical assays to characterize DNA interrogation, cleavage, and product release by three Cpf1 orthologues. Like Cas9, Cpf1 initially binds DNA in search of PAM (protospacer-adjacent motif) sequences, verifies the target sequence unidirectionally from the PAM-proximal end and rapidly rejects any targets that lack a PAM or that are poorly matched with the guide-RNA. Cpf1 requires ~17 bp sequence match for both stable binding and cleavage, contrasting it with Cas9 which requires 9 bp for stable binding and ~16 bp for cleavage. Unlike Cas9, which does not release the DNA cleavage products, Cpf1 rapidly releases the PAM-distal cleavage product, but not the PAM-proximal product. Our findings have important implications on Cpf1-based genome engineering and manipulation applications.

Cas9 has made a wide range of genome engineering applications possible. However, its specificity continues to be a challenge. Non-canonical gRNAs and new engineered variants of Cas9 have been developed to improve specificity but at the cost of the on-target activity. DNA unwinding is the primary checkpoint before cleavage by Cas9 and was shown to be made more sensitive to sequence mismatches by specificity-enhancing mutations in Cas9. Here we performed single-molecule FRET-based DNA unwinding experiments using various combinations of non-canonical gRNAs and different Cas9s. All engineered Cas9s were less promiscuous than wild type when canonical gRNA was used but HypaCas9 had much-reduced on-target unwinding. Cas9-HF1 and eCas9 showed the best balance between low promiscuity and high on-target activity with canonical gRNA. When extended gRNAs with one or two guanines added were used, Sniper1-Cas9 showed the lowest promiscuity while maintaining high on-target activity. Truncated gRNA generally reduced unwinding and adding a non-matching guanine to the 5 prime end of gRNA influenced unwinding in a sequence-context dependent manner. Our results are consistent with cell-based cleavage data and provide a mechanistic understanding of how various Cas9/gRNA combinations perform in genome engineering.

Bactofilins are rigid, non-polar bacterial cytoskeletal filaments that link cellular processes to specific curvatures of the cytoplasmic membrane. Although homologs of bactofilins have been identified in archaea and eukaryotes, functional studies have remained confined to bacterial systems. Here, we characterize representatives of two new families of archaeal bactofilins from the pleomorphic archaeon Haloferax volcanii , halofilin A (HalA) and halofilin B (HalB). HalA and HalB polymerize in vitro , assembling into straight bundles. HalA polymers are highly dynamic and accumulate at positive membrane curvatures in vivo , whereas HalB forms more static foci that localize in areas of local negative curvatures on the outer cell surface. Gene deletions and live-cell imaging show that halofilins are critical in maintaining morphological integrity during shape transition from disk (sessile) to rod (motile). Morphological defects in Δ halA result in accumulation of highly positive curvatures in rods but not in disks. Conversely, disk-shaped cells are exclusively affected by halB deletion, resulting in flatter cells. Furthermore, while Δ halA and Δ halB cells imprecisely determine the future division plane, defects arise predominantly during the disk-to-rod shape remodeling. In fact, the deletion of halA in the haloarchaeon Halobacterium salinarum , whose cells are consistently rod-shaped, impacted morphogenesis but not cell division. Increased levels of halofilins enforced drastic deformations in cells devoid of S-layer, suggesting that HalB polymers are more stable at defective S-layer lattice regions. Our results set halofilins apart from their bacterial correlate, where they provide mechanical scaffolding instead of directing envelope synthesis.

In microbes, CRISPR-Cas systems provide adaptive immunity against invading genetic elements. Cas9 in complex with a guide-RNA targets complementary DNA for cleavage and has been repurposed for wide-ranging biological applications. New Cas9s have been engineered (eCas9 and Cas9-HF1) to improve specificity, but how they help reduce off-target cleavage is not known. Here, we developed single molecule DNA unwinding assay to show that sequence mismatches affect cleavage reactions through rebalancing the internal unwinding/rewinding equilibrium. Increasing PAM-distal mismatches facilitate rewinding, and the associated cleavage impairment shows that cleavage proceeds from the unwound state. Engineered Cas9s depopulate the unwound state more readily upon mismatch detection. Intrinsic cleavage rate is much lower for engineered Cas9s, preventing cleavage from transiently unwound off-targets. DNA interrogation experiments showed that engineered Cas9s require about one additional base pair match for stable binding, freeing them from sites that would otherwise sequester them. Therefore, engineered Cas9s achieve their improved specificity (1) by inhibiting stable DNA binding to partially matching sequences, (2) by making DNA unwinding more sensitive to mismatches, and (3) by slowing down intrinsic cleavage reaction.

Across the domains of life, actin homologs are integral components of many essential processes such as DNA segregation, cell division, and cell shape determination. Archaea genomes, like those of bacteria and eukaryotes, also encode actin homologs, but much less is known about these proteins’ in vivo dynamics and cellular functions. We identified and characterized the function and dynamics of Salactin, an actin homolog in the hypersaline archaeon Halobacterium salinarum. Despite Salactin’s homology to bacterial MreB proteins, we find it does not function as a MreB ortholog in H. salinarum. Rather, live-cell imaging revealed that Salactin forms dynamically unstable filaments that grow and shrink out of the cell poles. Like other dynamically unstable polymers, Salactin monomers add at the growing filament end and its ATP-bound critical concentration is substantially lower than the ADP-bound form. When H. salinarum’s chromosomal copy number becomes limiting under low phosphate growth conditions, cells lacking Salactin show perturbed DNA distributions. Taken together, we propose that Salactin is part of a previously unknown chromosomal segregation apparatus required during low-ploidy conditions.