Abstract Background The success of the CRISPR/Cas9 genome editing technique depends on the choice of the guide RNA sequence, which is facilitated by various websites. Despite the importance and popularity of these algorithms, it is unclear to which extent their predictions are in agreement with actual measurements. Results We conduct the first independent evaluation of CRISPR/Cas9 predictions. To this end, we collect data from eight SpCas9 off-target studies and compare them with the sites predicted by popular algorithms. We identify problems in one implementation but found that sequence-based off-target predictions are very reliable, identifying most off-targets with mutation rates superior to 0.1 %, while the number of false positives can be largely reduced with a cutoff on the off-target score. We also evaluate on-target efficiency prediction algorithms against available datasets. The correlation between the predictions and the guide activity varied considerably, especially for zebrafish. Together with novel data from our labs, we find that the optimal on-target efficiency prediction model strongly depends on whether the guide RNA is expressed from a U6 promoter or transcribed in vitro. We further demonstrate that the best predictions can significantly reduce the time spent on guide screening. Conclusions To make these guidelines easily accessible to anyone planning a CRISPR genome editing experiment, we built a new website ( http://crispor.org ) that predicts off-targets and helps select and clone efficient guide sequences for more than 120 genomes using different Cas9 proteins and the eight efficiency scoring systems evaluated here.

Approximately one-third of all mammalian genes are essential for life. Phenotypes resulting from knockouts of these genes in mice have provided tremendous insight into gene function and congenital disorders. As part of the International Mouse Phenotyping Consortium effort to generate and phenotypically characterize 5,000 knockout mouse lines, here we identify 410 lethal genes during the production of the first 1,751 unique gene knockouts. Using a standardized phenotyping platform that incorporates high-resolution 3D imaging, we identify phenotypes at multiple time points for previously uncharacterized genes and additional phenotypes for genes with previously reported mutant phenotypes. Unexpectedly, our analysis reveals that incomplete penetrance and variable expressivity are common even on a defined genetic background. In addition, we show that human disease genes are enriched for essential genes, thus providing a dataset that facilitates the prioritization and validation of mutations identified in clinical sequencing efforts. Identification and characterization, using a comprehensive embryonic phenotyping pipeline, of 410 lethal alleles during the generation of the first 1,751 of 5,000 unique gene knockouts produced by the International Mouse Phenotyping Consortium. Stephen Murray and colleagues, including those from the International Mouse Phenotyping Consortium, report on the first phase of the project to generate and phenotypically characterize 5,000 knockout mouse lines, the first systematic efforts to characterize the phenotypes of embryonic lethal mutations. They identify 410 lethal genes during the production of the first 1,751 unique gene knockouts, and characterize these in a comprehensive phenotyping pipeline that includes high-resolution 3D imaging methods. Unexpectedly, given the defined genetic background, they find a number of phenotypes with incomplete penetrance, including some gene knockouts with subviability. The authors also show that orthologues of these mouse essential genes are enriched in genes associated with human disease and show evidence of purifying selection in the human population.

Coffin-Lowry Syndrome (CLS) is an X-linked mental retardation condition associated with skeletal abnormalities. The gene mutated in CLS, RSK2, encodes a growth factor-regulated kinase. However, the cellular and molecular bases of the skeletal abnormalities associated with CLS remain unknown. Here, we show that RSK2 is required for osteoblast differentiation and function. We identify the transcription factor ATF4 as a critical substrate of RSK2 that is required for the timely onset of osteoblast differentiation, for terminal differentiation of osteoblasts, and for osteoblast-specific gene expression. Additionally, RSK2 and ATF4 posttranscriptionally regulate the synthesis of Type I collagen, the main constituent of the bone matrix. Accordingly, Atf4-deficiency results in delayed bone formation during embryonic development and low bone mass throughout postnatal life. These findings identify ATF4 as a critical regulator of osteoblast differentiation and function, and indicate that lack of ATF4 phosphorylation by RSK2 may contribute to the skeletal phenotype of CLS.

Three signalling molecules cause increases in intracellular Ca2+ levels by triggering release of Ca2+ from intracellular stores due to their action on specific Ca2+-permeable receptors: inositol-1,4,5-trisphosphate binds to and opens the sarcoplasmic reticulum InsP3 receptor; cyclic ADP ribose activates the endoplasmic reticulum ryanodine receptor; but the molecular identity and location of the nicotinic acid adenine dinucleotide phosphate (NAADP) receptor is unknown. Here Calcraft et al. show that the lysosomal two-pore channel, TPC2, is the molecular target of NAADP. Ca2+ mobilization from intracellular stores represents an important cell signalling process that is regulated, in mammalian cells, by inositol-1,4,5-trisphosphate (InsP3), cyclic ADP ribose and nicotinic acid adenine dinucleotide phosphate (NAADP). While the nature of the receptors for InsP3 and cyclic ADP ribose are known, here the lysosomal two-pore channel, TPC2, is shown to be the molecular target of NAADP. Ca2+ mobilization from intracellular stores represents an important cell signalling process1 that is regulated, in mammalian cells, by inositol-1,4,5-trisphosphate (InsP3), cyclic ADP ribose and nicotinic acid adenine dinucleotide phosphate (NAADP). InsP3 and cyclic ADP ribose cause the release of Ca2+ from sarcoplasmic/endoplasmic reticulum stores by the activation of InsP3 and ryanodine receptors (InsP3Rs and RyRs). In contrast, the nature of the intracellular stores targeted by NAADP and the molecular identity of the NAADP receptors remain controversial1,2, although evidence indicates that NAADP mobilizes Ca2+ from lysosome-related acidic compartments3,4. Here we show that two-pore channels (TPCs) comprise a family of NAADP receptors, with human TPC1 (also known as TPCN1) and chicken TPC3 (TPCN3) being expressed on endosomal membranes, and human TPC2 (TPCN2) on lysosomal membranes when expressed in HEK293 cells. Membranes enriched with TPC2 show high affinity NAADP binding, and TPC2 underpins NAADP-induced Ca2+ release from lysosome-related stores that is subsequently amplified by Ca2+-induced Ca2+ release by InsP3Rs. Responses to NAADP were abolished by disrupting the lysosomal proton gradient and by ablating TPC2 expression, but were only attenuated by depleting endoplasmic reticulum Ca2+ stores or by blocking InsP3Rs. Thus, TPCs form NAADP receptors that release Ca2+ from acidic organelles, which can trigger further Ca2+ signals via sarcoplasmic/endoplasmic reticulum. TPCs therefore provide new insights into the regulation and organization of Ca2+ signals in animal cells, and will advance our understanding of the physiological role of NAADP.

Genome-wide association studies have identified SNPs within FTO, the human fat mass and obesity-associated gene, that are strongly associated with obesity. Individuals homozygous for the at-risk rs9939609 A allele weigh, on average, ~3 kg more than individuals with the low-risk T allele. Mice that lack FTO function and/or Fto expression display increased energy expenditure and a lean phenotype. We show here that ubiquitous overexpression of Fto leads to a dose-dependent increase in body and fat mass, irrespective of whether mice are fed a standard or a high-fat diet. Our results suggest that increased body mass results primarily from increased food intake. Mice with increased Fto expression on a high-fat diet develop glucose intolerance. This study provides the first direct evidence that increased Fto expression causes obesity in mice.

During the immediate-early response of mammalian cells to mitogens, histone H3 is rapidly and transiently phosphorylated by one or more unidentified kinases. Rsk-2, a member of the pp90rsk family of kinases implicated in growth control, was required for epidermal growth factor (EGF)-stimulated phosphorylation of H3. RSK-2 mutations in humans are linked to Coffin-Lowry syndrome (CLS). Fibroblasts derived from a CLS patient failed to exhibit EGF-stimulated phosphorylation of H3, although H3 was phosphorylated during mitosis. Introduction of the wild-type RSK-2 gene restored EGF-stimulated phosphorylation of H3 in CLS cells. In addition, disruption of the RSK-2 gene by homologous recombination in murine embryonic stem cells abolished EGF-stimulated phosphorylation of H3. H3 appears to be a direct or indirect target of Rsk-2, suggesting that chromatin remodeling might contribute to mitogen-activated protein kinase-regulated gene expression.

The generation of neurons by progenitor cells involves the tight coordination of multiple cellular activities, including cell cycle exit, initiation of neuronal differentiation, and cell migration. The mechanisms that integrate these different events into a coherent developmental program are not well understood. Here we show that the cyclin-dependent kinase inhibitor p27 Kip1 plays an important role in neurogenesis in the mouse cerebral cortex by promoting the differentiation and radial migration of cortical projection neurons. Importantly, these two functions of p27 Kip1 involve distinct activities, which are independent of its role in cell cycle regulation. p27 Kip1 promotes neuronal differentiation by stabilizing Neurogenin2 protein, an activity carried by the N-terminal half of the protein. p27 Kip1 promotes neuronal migration by blocking RhoA signaling, an activity that resides in its C-terminal half. Thus, p27 Kip1 plays a key role in cortical development, acting as a modular protein that independently regulates and couples multiple cellular pathways contributing to neurogenesis.

In 2007, the International Knockout Mouse Consortium (IKMC) made the ambitious promise to generate mutations in virtually every protein-coding gene of the mouse genome in a concerted worldwide action. Now, 5 years later, the IKMC members have developed high-throughput gene trapping and, in particular, gene-targeting pipelines and generated more than 17,400 mutant murine embryonic stem (ES) cell clones and more than 1,700 mutant mouse strains, most of them conditional. A common IKMC web portal (www.knockoutmouse.org) has been established, allowing easy access to this unparalleled biological resource. The IKMC materials considerably enhance functional gene annotation of the mammalian genome and will have a major impact on future biomedical research.

Abstract The role of sex in biomedical studies has often been overlooked, despite evidence of sexually dimorphic effects in some biological studies. Here, we used high-throughput phenotype data from 14,250 wildtype and 40,192 mutant mice (representing 2,186 knockout lines), analysed for up to 234 traits, and found a large proportion of mammalian traits both in wildtype and mutants are influenced by sex. This result has implications for interpreting disease phenotypes in animal models and humans.

Abstract The International Mouse Phenotyping Consortium (IMPC) systematically produces and phenotypes mouse lines with presumptive null mutations to provide insight into gene function. The IMPC now uses the programmable RNA-guided nuclease Cas9 for its increased capacity and flexibility to efficiently generate null alleles in the C57BL/6N strain. In addition to being a valuable novel and accessible research resource, the production of 3,313 knockout mouse lines using comparable protocols provides a rich dataset to analyze experimental and biological variables affecting in vivo gene engineering with Cas9. Mouse line production has two critical steps – generation of founders with the desired allele and germline transmission (GLT) of that allele from founders to offspring. A systematic evaluation of the variables impacting success rates identified gene essentiality as the primary factor influencing successful production of null alleles. Collectively, our findings provide best practice recommendations for using Cas9 to generate alleles in mouse essential genes, many of which are orthologs of genes linked to human disease.