The S. pyogenes (Sp) Cas9 endonuclease is an important gene-editing tool. Sp Cas9 is directed to target sites via a single guide RNA (sgRNA). However, SpCas9 also binds and cleaves genomic off-target sites that are partially matched to the sgRNA. Here, we report a microscopic kinetic model that simultaneously captures binding and cleavage dynamics for Sp Cas9 and Sp -dCas9 in free-energy terms. This model not only outperforms state-of-the-art off-target prediction tools, but also details how Sp- Cas9’s structure-function relation manifests itself in binding and cleavage dynamics. Based on the biophysical parameters we extract, our model predicts Sp Cas9’s open, intermediate, and closed complex configurations and indicates that R-loop progression is tightly coupled with structural changes in the targeting complex. We show that Sp Cas9 targeting kinetics are tuned for extended sequence specificity while maintaining on-target efficiency. Our extensible approach can characterize any CRISPR-Cas nuclease – benchmarking natural and future high-fidelity variants against Sp Cas9; elucidating determinants of CRISPR fidelity; and revealing pathways to increased specificity and efficiency in engineered systems.

Rapidly finding a specific nucleic-acid sequences in a large pool of competing off-targets is a fundamental challenge overcome by all living systems. To optimize the search and beat the diffusion limit, it is known that searchers should spend time sliding along the nucleic-acid substrate. Still, such sliding generally has to contend with high levels of molecular crowding on the substrate, and it remains unclear what effect this has on optimal search strategies. Using mechanistic modelling informed by single-molecule data, we show how sliding combined with correlated short-ranged skips allow searchers to maintain search speed on densely crowded substrates. We determine the conditions of optimal search, which show that an optimized searchers always spend more than half its time skipping and sliding along the substrate. Applying our theory to single-molecule data, we determine that both human and bacterial Argonaute proteins alternate between sliding 10 nt and skipping 30 nt along the substrate. We show that this combination of skipping and sliding lengths allows the searcher to maintain search speeds largely unaffected by molecular roadblocks covering up to 70% of the substrate. Our novel combination of experimental and theoretical approach could also help elucidate how other systems ensure rapid search in crowded environments.

Argonaute (Ago) proteins are key players in gene regulation in eukaryotes and host defense in prokaryotes. For specific interference, Ago relies on base pairing between small nucleic acid guides and complementary target sequences. To efficiently scan nucleic acid chains for potential targets, Ago must bypass both secondary structures in mRNA and single stranded DNA as well as protein barriers. Through single-molecule FRET, we reveal that lateral diffusion is mediated mainly through protein-nucleic acid interactions, rather than interactions between the guide and targeted strand. This allows Ago to scan for targets with high efficiency but without maintaining tight contact with the DNA backbone. Real-time observations show that Ago glides short distances over secondary structures while using intersegmental jumps to reduce scanning redundancy and bypass protein barriers. Our single-molecule method in combination with kinetic analysis may serve as a novel platform to study the effect of sequence on search kinetics for other nucleic acid-guided proteins.

Cas nucleases are popular tools for genome editing applications due to their ability to introduce DNA breaks at desired genomic locations. Such differential targeting is achieved through loading an RNA guide complimentary to the intended target sequence. As it turns out, sequences with only a partial match to the guide can also be cleaved. A large number of experiments have shed light on this off-targeting, outlining a number of rather peculiar empirical rules that detail the effect of mismatches at various positions and at various relative distances. We construct a kinetic model predicting on-target cleavage efficiency as well as offtarget specificity. Our model explains a unified targeting rule for any target harboring mismatches, independent of their abundance and placing, and the observed decoupling between efficiency and specificity when protein-DNA interactions are weakened. We favorably compare our model to published experimental data from CRISPR-Cas9, CRISPR-Cpf1, CRISPR-Cascade, as well as to the human Argonaute 2 systems. Understanding the origins of off-targeting principles is important for the further development of CRISPR-Cas as a precise genome editing tool.