In bacteria, foreign nucleic acids are silenced by clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats (CRISPR)--CRISPR-associated (Cas) systems. Bacterial type II CRISPR systems have been adapted to create guide RNAs that direct site-specific DNA cleavage by the Cas9 endonuclease in cultured cells. Here we show that the CRISPR-Cas system functions in vivo to induce targeted genetic modifications in zebrafish embryos with efficiencies similar to those obtained using zinc finger nucleases and transcription activator-like effector nucleases.

Clustered, regularly interspaced, short palindromic repeat (CRISPR) RNA-guided nucleases (RGNs) are highly efficient genome editing tools. CRISPR-associated 9 (Cas9) RGNs are directed to genomic loci by guide RNAs (gRNAs) containing 20 nucleotides that are complementary to a target DNA sequence. However, RGNs can induce mutations at sites that differ by as many as five nucleotides from the intended target. Here we report that truncated gRNAs, with shorter regions of target complementarity <20 nucleotides in length, can decrease undesired mutagenesis at some off-target sites by 5,000-fold or more without sacrificing on-target genome editing efficiencies. In addition, use of truncated gRNAs can further reduce off-target effects induced by pairs of Cas9 variants that nick DNA (paired nickases). Our results delineate a simple, effective strategy to improve the specificities of Cas9 nucleases or paired nickases.

Transcription activator–like effector nucleases (TALENs) enable genetic modification at specific sites in a genome. Reyon et al. present a method for high-throughput generation of TALENs, facilitating large-scale genome engineering. Engineered transcription activator–like effector nucleases (TALENs) have shown promise as facile and broadly applicable genome editing tools. However, no publicly available high-throughput method for constructing TALENs has been published, and large-scale assessments of the success rate and targeting range of the technology remain lacking. Here we describe the fast ligation-based automatable solid-phase high-throughput (FLASH) system, a rapid and cost-effective method for large-scale assembly of TALENs. We tested 48 FLASH-assembled TALEN pairs in a human cell–based EGFP reporter system and found that all 48 possessed efficient gene-modification activities. We also used FLASH to assemble TALENs for 96 endogenous human genes implicated in cancer and/or epigenetic regulation and found that 84 pairs were able to efficiently introduce targeted alterations. Our results establish the robustness of TALEN technology and demonstrate that FLASH facilitates high-throughput genome editing at a scale not currently possible with other genome modification technologies.

Monomeric CRISPR-Cas9 nucleases are widely used for targeted genome editing but can induce unwanted off-target mutations with high frequencies. Here we describe dimeric RNA-guided FokI nucleases (RFNs) that can recognize extended sequences and edit endogenous genes with high efficiencies in human cells. RFN cleavage activity depends strictly on the binding of two guide RNAs (gRNAs) to DNA with a defined spacing and orientation substantially reducing the likelihood that a suitable target site will occur more than once in the genome and therefore improving specificities relative to wild-type Cas9 monomers. RFNs guided by a single gRNA generally induce lower levels of unwanted mutations than matched monomeric Cas9 nickases. In addition, we describe a simple method for expressing multiple gRNAs bearing any 5' end nucleotide, which gives dimeric RFNs a broad targeting range. RFNs combine the ease of RNA-based targeting with the specificity enhancement inherent to dimerization and are likely to be useful in applications that require highly precise genome editing.

It has been assumed that most, if not all, signals regulating early development have been identified. Contrary to this expectation, we identified 28 candidate signaling proteins expressed during zebrafish embryogenesis, including Toddler, a short, conserved, and secreted peptide. Both absence and overproduction of Toddler reduce the movement of mesendodermal cells during zebrafish gastrulation. Local and ubiquitous production of Toddler promote cell movement, suggesting that Toddler is neither an attractant nor a repellent but acts globally as a motogen. Toddler drives internalization of G protein–coupled APJ/Apelin receptors, and activation of APJ/Apelin signaling rescues toddler mutants. These results indicate that Toddler is an activator of APJ/Apelin receptor signaling, promotes gastrulation movements, and might be the first in a series of uncharacterized developmental signals.

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.

A fusion protein comprising a TALE DNA-targeting domain and the 5-methylcytosine hydroxylase TET1 enables investigation of the function of specific DNA methylation events. Genome-wide studies have defined cell type–specific patterns of DNA methylation1 that are important for regulating gene expression in both normal development2 and disease3. However, determining the functional significance of specific methylation events remains challenging, owing to the lack of methods for removing such modifications in a targeted manner. Here we describe an approach for efficient targeted demethylation of specific CpGs in human cells using fusions of engineered transcription activator–like effector (TALE) repeat arrays and the TET1 hydroxylase catalytic domain. Using these TALE-TET1 fusions, we demonstrate that modification of critical methylated promoter CpG positions can lead to substantial increases in the expression of endogenous human genes. Our results delineate a strategy for understanding the functional significance of specific CpG methylation marks in the context of endogenous gene loci and validate programmable DNA demethylation reagents with potential utility for research and therapeutic applications.

Alexander Meissner and colleagues use CRISPR/Cas9 genome editing to inactivate the DNA methyltransferases DNMT1, DNMT3A and DNMT3B in human embryonic stem cells (ESCs). They find an essential role for DNMT1 in human ESCs and generate genome-wide maps of the DNA methylation changes that occur following inactivation of these enzymes. DNA methylation is a key epigenetic modification involved in regulating gene expression and maintaining genomic integrity. Here we inactivated all three catalytically active DNA methyltransferases (DNMTs) in human embryonic stem cells (ESCs) using CRISPR/Cas9 genome editing to further investigate the roles and genomic targets of these enzymes. Disruption of DNMT3A or DNMT3B individually as well as of both enzymes in tandem results in viable, pluripotent cell lines with distinct effects on the DNA methylation landscape, as assessed by whole-genome bisulfite sequencing. Surprisingly, in contrast to findings in mouse, deletion of DNMT1 resulted in rapid cell death in human ESCs. To overcome this immediate lethality, we generated a doxycycline-responsive tTA-DNMT1* rescue line and readily obtained homozygous DNMT1-mutant lines. However, doxycycline-mediated repression of exogenous DNMT1* initiates rapid, global loss of DNA methylation, followed by extensive cell death. Our data provide a comprehensive characterization of DNMT-mutant ESCs, including single-base genome-wide maps of the targets of these enzymes.

ZiFiT (Zinc Finger Targeter) is a simple and intuitive web-based tool that provides an interface to identify potential binding sites for engineered zinc finger proteins (ZFPs) in user-supplied DNA sequences. In this updated version, ZiFiT identifies potential sites for ZFPs made by both the modular assembly and OPEN engineering methods. In addition, ZiFiT now integrates additional tools and resources including scoring schemes for modular assembly, an interface with the Zinc Finger Database (ZiFDB) of engineered ZFPs, and direct querying of NCBI BLAST servers for identifying potential off-target sites within a host genome. Taken together, these features facilitate design of ZFPs using reagents made available to the academic research community by the Zinc Finger Consortium. ZiFiT is freely available on the web without registration at http://bindr.gdcb.iastate.edu/ZiFiT/.