In recent years, CRISPR-associated (Cas) nucleases have revolutionized the genome editing field. Being guided by an RNA to cleave double-stranded (ds) DNA targets near a short sequence termed a protospacer adjacent motif (PAM), Cas9 and Cas12 offer unprecedented flexibility, however, more compact versions would simplify delivery and extend application. Here, we present a collection of 10 exceptionally compact (422-603 amino acids) CRISPR-Cas12f nucleases that recognize and cleave dsDNA in a PAM dependent manner. Categorized as class 2 type V-F, they originate from the previously identified Cas14 family and distantly related type V-U3 Cas proteins found in bacteria. Using biochemical methods, we demonstrate that a 5' T- or C-rich PAM sequence triggers dsDNA target cleavage. Based on this discovery, we evaluated whether they can protect against invading dsDNA in Escherichia coli and find that some but not all can. Altogether, our findings show that miniature Cas12f nucleases can protect against invading dsDNA like much larger class 2 CRISPR effectors and have the potential to be harnessed as programmable nucleases for genome editing.

Abstract Transposition has a key role in reshaping genomes of all living organisms 1 . Insertion sequences of IS200/IS605 and IS607 families 2 are among the simplest mobile genetic elements and contain only the genes that are required for their transposition and its regulation. These elements encode tnpA transposase, which is essential for mobilization, and often carry an accessory tnpB gene, which is dispensable for transposition. Although the role of TnpA in transposon mobilization of IS200/IS605 is well documented, the function of TnpB has remained largely unknown. It had been suggested that TnpB has a role in the regulation of transposition, although no mechanism for this has been established 3–5 . A bioinformatic analysis indicated that TnpB might be a predecessor of the CRISPR–Cas9/Cas12 nucleases 6–8 . However, no biochemical activities have been ascribed to TnpB. Here we show that TnpB of Deinococcus radiodurans ISDra2 is an RNA-directed nuclease that is guided by an RNA, derived from the right-end element of a transposon, to cleave DNA next to the 5′-TTGAT transposon-associated motif. We also show that TnpB could be reprogrammed to cleave DNA target sites in human cells. Together, this study expands our understanding of transposition mechanisms by highlighting the role of TnpB in transposition, experimentally confirms that TnpB is a functional progenitor of CRISPR–Cas nucleases and establishes TnpB as a prototype of a new system for genome editing.

To expand the repertoire of Cas9s available for genome targeting, we present a new in vitro method for the simultaneous examination of guide RNA and protospacer adjacent motif (PAM) requirements. The method relies on the in vitro cleavage of plasmid libraries containing a randomized PAM as a function of Cas9-guide RNA complex concentration. Using this method, we accurately reproduce the canonical PAM preferences for Streptococcus pyogenes, Streptococcus thermophilus CRISPR3 (Sth3), and CRISPR1 (Sth1). Additionally, PAM and sgRNA solutions for a novel Cas9 protein from Brevibacillus laterosporus are provided by the assay and are demonstrated to support functional activity in vitro and in plants.

ABSTRACT CRISPR-Cas9 nucleases are abundant in microbes. To explore this largely uncharacterized diversity, we applied cell-free biochemical screens to rapidly assess the protospacer adjacent motif (PAM) and guide RNA (gRNA) requirements of novel Cas9 proteins. This approach permitted the characterization of 79 Cas9 orthologs with at least 7 distinct classes of gRNAs and 50 different PAM sequence requirements. PAM recognition spanned the entire spectrum of T-, A-, C-, and G-rich nucleotides ranging from simple di-nucleotide recognition to complex sequence strings longer than 4. Computational analyses indicated that most of this diversity came from 4 groups of interrelated sequences providing new insight into Cas9 evolution and efforts to engineer PAM recognition. A subset of Cas9 orthologs were purified and their activities examined further exposing additional biochemical diversity. This constituted both narrow and broad ranges of temperature dependence, staggered-end DNA target cleavage, and a requirement for longer stretches of homology between gRNA and DNA target to function robustly. In all, the diverse collection of Cas9 orthologs presented here sheds light on Cas9 evolution and provides a rich source of PAM recognition and other potentially desirable properties that may be mined to expand the genome editing toolbox with new RNA-programmable nucleases.

In recent years, CRISPR-associated (Cas) nucleases have revolutionized the genome editing field. Being guided by an RNA to cleave double-stranded (ds) DNA targets near a short sequence termed a protospacer adjacent motif (PAM), Cas9 and Cas12 offer unprecedented flexibility, however, more compact versions would simplify delivery and extend application. Here, we present a collection of 10 exceptionally compact (422-603 amino acids) CRISPR-Cas nucleases that recognize and cleave dsDNA in PAM dependent manner. Categorized as class 2 type V-F they come from the Cas14 family and distantly related type V-U3 Cas proteins found in bacteria. Using biochemical methods, we demonstrate that a 5’ T- or C-rich PAM sequence triggers double stranded (ds) DNA target cleavage. Based on this discovery, we evaluated whether they can protect against invading dsDNA in E. coli and find that some but not all can. Altogether, our findings show that miniature Cas nucleases are functional CRISPR-Cas defense systems and have the potential to be harnessed as programmable nucleases for genome editing.