We present single-molecule, real-time sequencing data obtained from a DNA polymerase performing uninterrupted template-directed synthesis using four distinguishable fluorescently labeled deoxyribonucleoside triphosphates (dNTPs). We detected the temporal order of their enzymatic incorporation into a growing DNA strand with zero-mode waveguide nanostructure arrays, which provide optical observation volume confinement and enable parallel, simultaneous detection of thousands of single-molecule sequencing reactions. Conjugation of fluorophores to the terminal phosphate moiety of the dNTPs allows continuous observation of DNA synthesis over thousands of bases without steric hindrance. The data report directly on polymerase dynamics, revealing distinct polymerization states and pause sites corresponding to DNA secondary structure. Sequence data were aligned with the known reference sequence to assay biophysical parameters of polymerization for each template position. Consensus sequences were generated from the single-molecule reads at 15-fold coverage, showing a median accuracy of 99.3%, with no systematic error beyond fluorophore-dependent error rates.

Type II CRISPR immune systems in bacteria use a dual RNA-guided DNA endonuclease, Cas9, to cleave foreign DNA at specific sites. We show here that Cas9 assembles with hybrid guide RNAs in human cells and can induce the formation of double-strand DNA breaks (DSBs) at a site complementary to the guide RNA sequence in genomic DNA. This cleavage activity requires both Cas9 and the complementary binding of the guide RNA. Experiments using extracts from transfected cells show that RNA expression and/or assembly into Cas9 is the limiting factor for Cas9-mediated DNA cleavage. In addition, we find that extension of the RNA sequence at the 3' end enhances DNA targeting activity in vivo. These results show that RNA-programmed genome editing is a facile strategy for introducing site-specific genetic changes in human cells.DOI:http://dx.doi.org/10.7554/eLife.00471.001.

The RNA-programmable Cas9 endonuclease cleaves double-stranded DNA at sites complementary to a 20-base-pair guide RNA. The Cas9 system has been used to modify genomes in multiple cells and organisms, demonstrating its potential as a facile genome-engineering tool. We used in vitro selection and high-throughput sequencing to determine the propensity of eight guide-RNA:Cas9 complexes to cleave each of 10(12) potential off-target DNA sequences. The selection results predicted five off-target sites in the human genome that were confirmed to undergo genome cleavage in HEK293T cells upon expression of one of two guide-RNA:Cas9 complexes. In contrast to previous models, our results show that guide-RNA:Cas9 specificity extends past a 7- to 12-base-pair seed sequence. Our results also suggest a tradeoff between activity and specificity both in vitro and in cells as a shorter, less-active guide RNA is more specific than a longer, more-active guide RNA. High concentrations of guide-RNA:Cas9 complexes can cleave off-target sites containing mutations near or within the PAM that are not cleaved when enzyme concentrations are limiting.

The CRISPR/Cas9 system is a robust genome editing technology that works in human cells, animals and plants based on the RNA-programmed DNA cleaving activity of the Cas9 enzyme. Building on previous work (<xref ref-type="bibr" rid="bib13">Jinek et al., 2013</xref>), we show here that new genetic information can be introduced site-specifically and with high efficiency by homology-directed repair (HDR) of Cas9-induced site-specific double-strand DNA breaks using timed delivery of Cas9-guide RNA ribonucleoprotein (RNP) complexes. Cas9 RNP-mediated HDR in HEK293T, human primary neonatal fibroblast and human embryonic stem cells was increased dramatically relative to experiments in unsynchronized cells, with rates of HDR up to 38% observed in HEK293T cells. Sequencing of on- and potential off-target sites showed that editing occurred with high fidelity, while cell mortality was minimized. This approach provides a simple and highly effective strategy for enhancing site-specific genome engineering in both transformed and primary human cells.

Introduction Bacteria and archaea defend themselves against invasive DNA using adaptive immune systems comprising CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) loci and CRISPR-associated (Cas) genes. In association with Cas proteins, small CRISPR RNAs (crRNAs) guide the detection and cleavage of complementary DNA sequences. Type II CRISPR systems employ the RNA-guided endonuclease Cas9 to recognize and cleave double-stranded DNA (dsDNA) targets using conserved RuvC and HNH nuclease domains. Cas9-mediated cleavage is strictly dependent on the presence of a protospacer adjacent motif (PAM) in the target DNA. Recently, the biochemical properties of Cas9–guide RNA complexes have been harnessed for various genetic engineering applications and RNA-guided transcriptional control. Despite these ongoing successes, the structural basis for guide RNA recognition and DNA targeting by Cas9 is still unknown. Rationale To compare the architectures and domain organization of diverse Cas9 proteins, the atomic structures of Cas9 from Streptococcus pyogenes (SpyCas) and Actinomyces naeslundii (AnaCas9) were determined by x-ray crystallography. Crosslinking of target DNA containing 5-bromodeoxyuridines was conducted to identify PAM-interacting regions in SpyCas9. To test functional interactions with nucleic acid ligands, structure-based mutant SpyCas9 proteins were assayed for endonuclease activity with radiolabeled oligonucleotide dsDNA targets, and target DNA binding was monitored by electrophoretic mobility shift assays. To compare conformations of Cas9 in different states of nucleic acid binding, three-dimensional reconstructions of apo-SpyCas9, SpyCas9:RNA, and SpyCas9:RNA:DNA were obtained by negative-stain single-particle electron microscopy. Guide RNA and target DNA positions were determined with streptavidin labeling. Exonuclease protection assays were carried out to determine the extent of Cas9–target DNA interactions. Results The 2.6 Å–resolution structure of apo-SpyCas9 reveals a bilobed architecture comprising a nuclease domain lobe and an α-helical lobe. Both lobes contain conserved clefts that may function in nucleic acid binding. Photocrosslinking experiments show that the PAM in target DNA is engaged by two tryptophan-containing flexible loops, and mutations of both loops impair target DNA binding and cleavage. The 2.2 Å–resolution crystal structure of AnaCas9 reveals the conserved structural core shared by all Cas9 enzyme subtypes, and both SpyCas9 and AnaCas9 adopt autoinhibited conformations in their apo forms. The electron microscopic (EM) reconstructions of SpyCas9:RNA and SpyCas9:RNA:DNA complexes reveal that guide RNA binding results in a conformational rearrangement and formation of a central channel for target DNA binding. Site-specific labeling of guide RNA and target DNA define the orientations of nucleic acids in the target-bound complex. Conclusion The SpyCas9 and AnaCas9 structures define the molecular architecture of the Cas9 enzyme family in which a conserved structural core encompasses the two nuclease domains responsible for DNA cleavage, while structurally divergent regions, including the PAM recognition loops, are likely responsible for distinct guide RNA and PAM specificities. Cas9 enzymes adopt a catalytically inactive conformation in the apo state, necessitating structural activation for DNA recognition and cleavage. Our EM analysis shows that by triggering a conformational rearrangement in Cas9, the guide RNA acts as a critical determinant of target DNA binding.

Significance T-cell genome engineering holds great promise for cancer immunotherapies and cell-based therapies for HIV, primary immune deficiencies, and autoimmune diseases, but genetic manipulation of human T cells has been inefficient. We achieved efficient genome editing by delivering Cas9 protein pre-assembled with guide RNAs. These active Cas9 ribonucleoproteins (RNPs) enabled successful Cas9-mediated homology-directed repair in primary human T cells. Cas9 RNPs provide a programmable tool to replace specific nucleotide sequences in the genome of mature immune cells—a longstanding goal in the field. These studies establish Cas9 RNP technology for diverse experimental and therapeutic genome engineering applications in primary human T cells.

T helper (Th) cells can be categorized according to their cytokine expression. The differential induction of Th cells expressing Th1 and/or Th2 cytokines is key to the regulation of both protective and pathological immune responses. Cytokines are expressed transiently and there is a lack of stably expressed surface molecules, significant for functionally different types of Th cells. Such molecules are of utmost importance for the analysis and selective functional modulation of Th subsets and will provide new therapeutic strategies for the treatment of allergic or autoimmune diseases. To this end, we have identified potential target genes preferentially expressed in Th2 cells, expressing interleukin (IL)-4, IL-5, and/or IL-10, but not interferon-γ. One such gene, T1/ST2, is expressed stably on both Th2 clones and Th2-polarized cells activated in vivo or in vitro . T1/ST2 expression is independent of induction by IL-4, IL-5, or IL-10. T1/ST2 plays a critical role in Th2 effector function. Administration of either a mAb against T1/ST2 or recombinant T1/ST2 fusion protein attenuates eosinophilic inflammation of the airways and suppresses IL-4 and IL-5 production in vivo following adoptive transfer of Th2 cells.

HIV-1 entry into CD4 + cells requires the sequential interactions of the viral envelope glycoproteins with CD4 and a coreceptor such as the chemokine receptors CCR5 and CXCR4. A plausible approach to blocking this process is to use small molecule antagonists of coreceptor function. One such inhibitor has been described for CCR5: the TAK-779 molecule. To facilitate the further development of entry inhibitors as antiviral drugs, we have explored how TAK-779 acts to prevent HIV-1 infection, and we have mapped its site of interaction with CCR5. We find that TAK-779 inhibits HIV-1 replication at the membrane fusion stage by blocking the interaction of the viral surface glycoprotein gp120 with CCR5. We could identify no amino acid substitutions within the extracellular domain of CCR5 that affected the antiviral action of TAK-779. However, alanine scanning mutagenesis of the transmembrane domains revealed that the binding site for TAK-779 on CCR5 is located near the extracellular surface of the receptor, within a cavity formed between transmembrane helices 1, 2, 3, and 7.

Abstract Wild tomatoes are important genomic resources for tomato research and breeding. Development of a foreign DNA-free CRISPR-Cas delivery system has potential to mitigate public concern about genetically modified organisms. Here, we established a DNA-free protoplast regeneration and CRISPR-Cas9 genome editing system for Solanum peruvianum , an important resource for tomato introgression breeding. We generated mutants for genes involved in small interfering RNAs (siRNA) biogenesis, RNA-DEPENDENT RNA POLYMERASE 6 ( SpRDR6 ) and SUPPRESSOR OF GENE SILENCING 3 ( SpSGS3 ); pathogen-related peptide precursors, PATHOGENESIS-RELATED PROTEIN-1 ( SpPR-1 ) and PROSYSTEMIN ( SpProsys ); and fungal resistance ( MILDEW RESISTANT LOCUS O, SpMlo1 ) using diploid or tetraploid protoplasts derived from in vitro -grown shoots. The ploidy level of these regenerants was not affected by PEG-calcium-mediated transfection, CRISPR reagents, or the target genes. By karyotyping and whole genome sequencing analysis, we confirmed that CRISPR-Cas9 editing did not introduce chromosomal changes or unintended genome editing sites. All mutated genes in both diploid and tetraploid regenerants were heritable in the next generation. spsgs3 null T 0 regenerants and sprdr6 null T 1 progeny had wiry, sterile phenotypes in both diploid and tetraploid lines. The sterility of the spsgs3 null mutant was partially rescued, and fruits were obtained by grafting to wild-type stock and pollination with wild-type pollen. The resulting seeds contained the mutated alleles. Tomato yellow leaf curl virus proliferated at higher levels in spsgs3 and sprdr6 mutants than in the wild type. Therefore, this protoplast regeneration technique should greatly facilitate tomato polyploidization and enable the use of CRISPR-Cas for S. peruvianum domestication and tomato breeding. One-sentence summary DNA-free CRISPR-Cas9 genome editing in wild tomatoes creates stable and inheritable diploid and tetraploid regenerants.