Optimization of cytidine and adenine base editors increases editing efficiency. Base editors enable targeted single-nucleotide conversions in genomic DNA. Here we show that expression levels are a bottleneck in base-editing efficiency. We optimize cytidine (BE4) and adenine (ABE7.10) base editors by modification of nuclear localization signals (NLS) and codon usage, and ancestral reconstruction of the deaminase component. The resulting BE4max, AncBE4max, and ABEmax editors correct pathogenic SNPs with substantially increased efficiency in a variety of mammalian cell types.

Applications of adenine base editors (ABEs) have been constrained by the limited compatibility of the deoxyadenosine deaminase component with Cas homologs other than SpCas9. We evolved the deaminase component of ABE7.10 using phage-assisted non-continuous and continuous evolution (PANCE and PACE), which resulted in ABE8e. ABE8e contains eight additional mutations that increase activity (kapp) 590-fold compared with that of ABE7.10. ABE8e offers substantially improved editing efficiencies when paired with a variety of Cas9 or Cas12 homologs. ABE8e is more processive than ABE7.10, which could benefit screening, disruption of regulatory regions and multiplex base editing applications. A modest increase in Cas9-dependent and -independent DNA off-target editing, and in transcriptome-wide RNA off-target editing can be ameliorated by the introduction of an additional mutation in the TadA-8e domain. Finally, we show that ABE8e can efficiently install natural mutations that upregulate fetal hemoglobin expression in the BCL11A enhancer or in the the HBG promoter in human cells, targets that were poorly edited with ABE7.10. ABE8e augments the effectiveness and applicability of adenine base editing.

While prime editing enables precise sequence changes in DNA, cellular determinants of prime editing remain poorly understood. Using pooled CRISPRi screens, we discovered that DNA mismatch repair (MMR) impedes prime editing and promotes undesired indel byproducts. We developed PE4 and PE5 prime editing systems in which transient expression of an engineered MMR-inhibiting protein enhances the efficiency of substitution, small insertion, and small deletion prime edits by an average 7.7-fold and 2.0-fold compared to PE2 and PE3 systems, respectively, while improving edit/indel ratios by 3.4-fold in MMR-proficient cell types. Strategic installation of silent mutations near the intended edit can enhance prime editing outcomes by evading MMR. Prime editor protein optimization resulted in a PEmax architecture that enhances editing efficacy by 2.8-fold on average in HeLa cells. These findings enrich our understanding of prime editing and establish prime editing systems that show substantial improvement across 191 edits in seven mammalian cell types.

Prime editing enables the installation of virtually any combination of point mutations, small insertions or small deletions in the DNA of living cells. A prime editing guide RNA (pegRNA) directs the prime editor protein to the targeted locus and also encodes the desired edit. Here we show that degradation of the 3′ region of the pegRNA that contains the reverse transcriptase template and the primer binding site can poison the activity of prime editing systems, impeding editing efficiency. We incorporated structured RNA motifs to the 3′ terminus of pegRNAs that enhance their stability and prevent degradation of the 3′ extension. The resulting engineered pegRNAs (epegRNAs) improve prime editing efficiency 3–4-fold in HeLa, U2OS and K562 cells and in primary human fibroblasts without increasing off-target editing activity. We optimized the choice of 3′ structural motif and developed pegLIT, a computational tool to identify non-interfering nucleotide linkers between pegRNAs and 3′ motifs. Finally, we showed that epegRNAs enhance the efficiency of the installation or correction of disease-relevant mutations. Stabilizing pegRNAs with 3′ RNA structures increases prime editing efficiency.

Hutchinson–Gilford progeria syndrome (HGPS or progeria) is typically caused by a dominant-negative C•G-to-T•A mutation (c.1824 C>T; p.G608G) in LMNA, the gene that encodes nuclear lamin A. This mutation causes RNA mis-splicing that produces progerin, a toxic protein that induces rapid ageing and shortens the lifespan of children with progeria to approximately 14 years1–4. Adenine base editors (ABEs) convert targeted A•T base pairs to G•C base pairs with minimal by-products and without requiring double-strand DNA breaks or donor DNA templates5,6. Here we describe the use of an ABE to directly correct the pathogenic HGPS mutation in cultured fibroblasts derived from children with progeria and in a mouse model of HGPS. Lentiviral delivery of the ABE to fibroblasts from children with HGPS resulted in 87–91% correction of the pathogenic allele, mitigation of RNA mis-splicing, reduced levels of progerin and correction of nuclear abnormalities. Unbiased off-target DNA and RNA editing analysis did not detect off-target editing in treated patient-derived fibroblasts. In transgenic mice that are homozygous for the human LMNA c.1824 C>T allele, a single retro-orbital injection of adeno-associated virus 9 (AAV9) encoding the ABE resulted in substantial, durable correction of the pathogenic mutation (around 20–60% across various organs six months after injection), restoration of normal RNA splicing and reduction of progerin protein levels. In vivo base editing rescued the vascular pathology of the mice, preserving vascular smooth muscle cell counts and preventing adventitial fibrosis. A single injection of ABE-expressing AAV9 at postnatal day 14 improved vitality and greatly extended the median lifespan of the mice from 215 to 510 days. These findings demonstrate the potential of in vivo base editing as a possible treatment for HGPS and other genetic diseases by directly correcting their root cause. In a mouse model of progeria, an adenine base editor delivered with adeno-associated virus corrects the pathogenic mutation in LMNA, rescues vascular pathology and markedly extends the lifespan of the mice.

Methods to deliver gene editing agents in vivo as ribonucleoproteins could offer safety advantages over nucleic acid delivery approaches. We report the development and application of engineered DNA-free virus-like particles (eVLPs) that efficiently package and deliver base editor or Cas9 ribonucleoproteins. By engineering VLPs to overcome cargo packaging, release, and localization bottlenecks, we developed fourth-generation eVLPs that mediate efficient base editing in several primary mouse and human cell types. Using different glycoproteins in eVLPs alters their cellular tropism. Single injections of eVLPs into mice support therapeutic levels of base editing in multiple tissues, reducing serum Pcsk9 levels 78% following 63% liver editing, and partially restoring visual function in a mouse model of genetic blindness. In vitro and in vivo off-target editing from eVLPs was virtually undetected, an improvement over AAV or plasmid delivery. These results establish eVLPs as promising vehicles for therapeutic macromolecule delivery that combine key advantages of both viral and nonviral delivery.

Cytosine base editors (CBEs) enable targeted C•G-to-T•A conversions in genomic DNA. Recent studies report that BE3, the original CBE, induces a low frequency of genome-wide Cas9-independent off-target C•G-to-T•A mutation in mouse embryos and in rice. Here we develop multiple rapid, cost-effective methods to screen the propensity of different CBEs to induce Cas9-independent deamination in Escherichia coli and in human cells. We use these assays to identify CBEs with reduced Cas9-independent deamination and validate via whole-genome sequencing that YE1, a narrowed-window CBE variant, displays background levels of Cas9-independent off-target editing. We engineered YE1 variants that retain the substrate-targeting scope of high-activity CBEs while maintaining minimal Cas9-independent off-target editing. The suite of CBEs characterized and engineered in this study collectively offer ~10–100-fold lower average Cas9-independent off-target DNA editing while maintaining robust on-target editing at most positions targetable by canonical CBEs, and thus are especially promising for applications in which off-target editing must be minimized. Methods to efficiently detect Cas9-independent cytosine base editor off-target activity enable the identification and development of variants with minimal off-target editing and robust on-target editing.