Abstract Engineered nucleases that cleave specific DNA sequences in vivo are valuable reagents for targeted mutagenesis. Here we report a new class of sequence-specific nucleases created by fusing transcription activator-like effectors (TALEs) to the catalytic domain of the FokI endonuclease. Both native and custom TALE-nuclease fusions direct DNA double-strand breaks to specific, targeted sites.

Enhancers, critical determinants of cellular identity, are commonly recognized by correlative chromatin marks and gain-of-function potential, although only loss-of-function studies can demonstrate their requirement in the native genomic context. Previously, we identified an erythroid enhancer of human BCL11A, subject to common genetic variation associated with the fetal haemoglobin level, the mouse orthologue of which is necessary for erythroid BCL11A expression. Here we develop pooled clustered regularly interspaced palindromic repeat (CRISPR)-Cas9 guide RNA libraries to perform in situ saturating mutagenesis of the human and mouse enhancers. This approach reveals critical minimal features and discrete vulnerabilities of these enhancers. Despite conserved function of the composite enhancers, their architecture diverges. The crucial human sequences appear to be primate-specific. Through editing of primary human progenitors and mouse transgenesis, we validate the BCL11A erythroid enhancer as a target for fetal haemoglobin reinduction. The detailed enhancer map will inform therapeutic genome editing, and the screening approach described here is generally applicable to functional interrogation of non-coding genomic elements. A CRISPR-Cas9 approach is used to perform saturating mutagenesis of the human and mouse BCL11A enhancers, producing a map that reveals critical regions and specific vulnerabilities; BCL11A enhancer disruption is validated by CRISPR-Cas9 as a therapeutic strategy for inducing fetal haemoglobin by applying it in both mice and primary human erythroblast cells. BCL11A is a transcriptional repressor that inhibits expression of fetal globin genes in adults, and is a potential therapeutic target for the treatment of β-globinopathies such as β-thalassemia and sickle cell disease. The enhancer of BCL11A is subject to common genetic variation associated with fetal hemoglobin level. Here, Daniel Bauer and colleagues use a CRISPR–Cas9 approach to perform saturation mutagenesis of the human and mouse BCL11A enhancers, producing a map that reveals critical regions and specific vulnerabilities. They validate BCL11A enhancer disruption by CRISPR–Cas9 as a therapeutic strategy for inducing fetal haemoglobin by applying it in both mice and primary human erythroblast cells.

Spotting off-targets from gene editing Unintended genomic modifications limit the potential therapeutic use of gene-editing tools. Available methods to find off-targets generally do not work in vivo or detect single-nucleotide changes. Three papers in this issue report new methods for monitoring gene-editing tools in vivo (see the Perspective by Kempton and Qi). Wienert et al. followed the recruitment of a DNA repair protein to DNA breaks induced by CRISPR-Cas9, enabling unbiased detection of off-target editing in cellular and animal models. Zuo et al. identified off-targets without the interference of natural genetic heterogeneity by injecting base editors into one blastomere of a two-cell mouse embryo and leaving the other genetically identical blastomere unedited. Jin et al. performed whole-genome sequencing on individual, genome-edited rice plants to identify unintended mutations. Cytosine, but not adenine, base editors induced numerous single-nucleotide variants in both mouse and rice. Science , this issue p. 286 , p. 289 , p. 292 ; see also p. 234

Context-dependent assembly (CoDA) of zinc finger nucleases is reported. Starting from an archive of zinc finger modules known to function well together, effective multifinger arrays can be constructed using standard techniques. Also in this issue, Doyon et al. report rational design of nucleases with improved cleavage activity. Engineered zinc-finger nucleases (ZFNs) enable targeted genome modification. Here we describe context-dependent assembly (CoDA), a platform for engineering ZFNs using only standard cloning techniques or custom DNA synthesis. Using CoDA-generated ZFNs, we rapidly altered 20 genes in Danio rerio, Arabidopsis thaliana and Glycine max. The simplicity and efficacy of CoDA will enable broad adoption of ZFN technology and make possible large-scale projects focused on multigene pathways or genome-wide alterations.

Abstract The ability to precisely engineer plant genomes offers much potential for advancing basic and applied plant biology. Here, we describe methods for the targeted modification of plant genomes using transcription activator-like effector nucleases (TALENs). Methods were optimized using tobacco (Nicotiana tabacum) protoplasts and TALENs targeting the acetolactate synthase (ALS) gene. Optimal TALEN scaffolds were identified using a protoplast-based single-strand annealing assay in which TALEN cleavage creates a functional yellow fluorescent protein gene, enabling quantification of TALEN activity by flow cytometry. Single-strand annealing activity data for TALENs with different scaffolds correlated highly with their activity at endogenous targets, as measured by high-throughput DNA sequencing of polymerase chain reaction products encompassing the TALEN recognition sites. TALENs introduced targeted mutations in ALS in 30% of transformed cells, and the frequencies of targeted gene insertion approximated 14%. These efficiencies made it possible to recover genome modifications without selection or enrichment regimes: 32% of tobacco calli generated from protoplasts transformed with TALEN-encoding constructs had TALEN-induced mutations in ALS, and of 16 calli characterized in detail, all had mutations in one allele each of the duplicate ALS genes (SurA and SurB). In calli derived from cells treated with a TALEN and a 322-bp donor molecule differing by 6 bp from the ALS coding sequence, 4% showed evidence of targeted gene replacement. The optimized reagents implemented in plant protoplasts should be useful for targeted modification of cells from diverse plant species and using a variety of means for reagent delivery.

We report here an efficient method for targeted mutagenesis of Arabidopsis genes through regulated expression of zinc finger nucleases (ZFNs)—enzymes engineered to create DNA double-strand breaks at specific target loci. ZFNs recognizing the Arabidopsis ADH1 and TT4 genes were made by Oligomerized Pool ENgineering (OPEN)—a publicly available, selection-based platform that yields high quality zinc finger arrays. The ADH1 and TT4 ZFNs were placed under control of an estrogen-inducible promoter and introduced into Arabidopsis plants by floral-dip transformation. Primary transgenic Arabidopsis seedlings induced to express the ADH1 or TT4 ZFNs exhibited somatic mutation frequencies of 7% or 16%, respectively. The induced mutations were typically insertions or deletions (1–142 bp) that were localized at the ZFN cleavage site and likely derived from imprecise repair of chromosome breaks by nonhomologous end-joining. Mutations were transmitted to the next generation for 69% of primary transgenics expressing the ADH1 ZFNs and 33% of transgenics expressing the TT4 ZFNs. Furthermore, ≈20% of the mutant-producing plants were homozygous for mutations at ADH1 or TT4 , indicating that both alleles were disrupted. ADH1 and TT4 were chosen as targets for this study because of their selectable or screenable phenotypes ( adh1 , allyl alcohol resistance; tt4 , lack of anthocyanins in the seed coat). However, the high frequency of observed ZFN-induced mutagenesis suggests that targeted mutations can readily be recovered by simply screening progeny of primary transgenic plants by PCR and DNA sequencing. Taken together, our results suggest that it should now be possible to obtain mutations in any Arabidopsis target gene regardless of its mutant phenotype.

The RNA-guided endonuclease Cas9 cleaves double-stranded DNA targets complementary to the guide RNA and has been applied to programmable genome editing. Cas9-mediated cleavage requires a protospacer adjacent motif (PAM) juxtaposed with the DNA target sequence, thus constricting the range of targetable sites. Here, we report the 1.7 Å resolution crystal structures of Cas9 from Francisella novicida (FnCas9), one of the largest Cas9 orthologs, in complex with a guide RNA and its PAM-containing DNA targets. A structural comparison of FnCas9 with other Cas9 orthologs revealed striking conserved and divergent features among distantly related CRISPR-Cas9 systems. We found that FnCas9 recognizes the 5′-NGG-3′ PAM, and used the structural information to create a variant that can recognize the more relaxed 5′-YG-3′ PAM. Furthermore, we demonstrated that the FnCas9-ribonucleoprotein complex can be microinjected into mouse zygotes to edit endogenous sites with the 5′-YG-3′ PAM, thus expanding the target space of the CRISPR-Cas9 toolbox.

We performed targeted mutagenesis of a transgene and nine endogenous soybean (Glycine max) genes using zinc-finger nucleases (ZFNs). A suite of ZFNs were engineered by the recently described context-dependent assembly platform--a rapid, open-source method for generating zinc-finger arrays. Specific ZFNs targeting dicer-like (DCL) genes and other genes involved in RNA silencing were cloned into a vector under an estrogen-inducible promoter. A hairy-root transformation system was employed to investigate the efficiency of ZFN mutagenesis at each target locus. Transgenic roots exhibited somatic mutations localized at the ZFN target sites for seven out of nine targeted genes. We next introduced a ZFN into soybean via whole-plant transformation and generated independent mutations in the paralogous genes DCL4a and DCL4b. The dcl4b mutation showed efficient heritable transmission of the ZFN-induced mutation in the subsequent generation. These findings indicate that ZFN-based mutagenesis provides an efficient method for making mutations in duplicate genes that are otherwise difficult to study due to redundancy. We also developed a publicly accessible Web-based tool to identify sites suitable for engineering context-dependent assembly ZFNs in the soybean genome.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) poses an immediate, major threat to public health across the globe. Here we report an in-depth molecular analysis to reconstruct the evolutionary origins of the enhanced pathogenicity of SARS-CoV-2 and other coronaviruses that are severe human pathogens. Using integrated comparative genomics and machine learning techniques, we identify key genomic features that differentiate SARS-CoV-2 and the viruses behind the two previous deadly coronavirus outbreaks, SARS-CoV and Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV), from less pathogenic coronaviruses. These features include enhancement of the nuclear localization signals in the nucleocapsid protein and distinct inserts in the spike glycoprotein that appear to be associated with high case fatality rate of these coronaviruses as well as the host switch from animals to humans. The identified features could be crucial contributors to coronavirus pathogenicity and possible targets for diagnostics, prognostication, and interventions.