Nonsense-mediated messenger RNA decay (NMD) is triggered by premature translation termination1,2,3, but the features distinguishing premature from normal termination are unknown. One model for NMD suggests that decay-inducing factors bound to mRNAs during early processing events are routinely removed by elongating ribosomes but remain associated with mRNAs when termination is premature, triggering rapid turnover4. Recent experiments5,6,7 challenge this notion and suggest a model that posits that mRNA decay is activated by the intrinsically aberrant nature of premature termination8,9. Here we use a primer extension inhibition (toeprinting) assay10 to delineate ribosome positioning and find that premature translation termination in yeast extracts is indeed aberrant. Ribosomes encountering premature UAA or UGA codons in the CAN1 mRNA fail to release and, instead, migrate to upstream AUGs. This anomaly depends on prior nonsense codon recognition and is eliminated in extracts derived from cells lacking the principal NMD factor, Upf1p, or by flanking the nonsense codon with a normal 3′-untranslated region (UTR). Tethered poly(A)-binding protein (Pab1p), used as a mimic of a normal 3′-UTR, recruits the termination factor Sup35p (eRF3) and stabilizes nonsense-containing mRNAs. These findings indicate that efficient termination and mRNA stability are dependent on a properly configured 3′-UTR.

CRISPR-Cas9 proteins function within bacterial immune systems to target and destroy invasive DNA and have been harnessed as a robust technology for genome editing. Small bacteriophage-encoded anti-CRISPR proteins (Acrs) can inactivate Cas9, providing an efficient off switch for Cas9-based applications. Here, we show that two Acrs, AcrIIC1 and AcrIIC3, inhibit Cas9 by distinct strategies. AcrIIC1 is a broad-spectrum Cas9 inhibitor that prevents DNA cutting by multiple divergent Cas9 orthologs through direct binding to the conserved HNH catalytic domain of Cas9. A crystal structure of an AcrIIC1-Cas9 HNH domain complex shows how AcrIIC1 traps Cas9 in a DNA-bound but catalytically inactive state. By contrast, AcrIIC3 blocks activity of a single Cas9 ortholog and induces Cas9 dimerization while preventing binding to the target DNA. These two orthogonal mechanisms allow for separate control of Cas9 target binding and cleavage and suggest applications to allow DNA binding while preventing DNA cutting by Cas9.

ABSTRACT Background The development of CRISPR genome editing has transformed biomedical research. Most applications reported thus far rely upon the Cas9 protein from Streptococcus pyogenes SF370 (SpyCas9). With many RNA guides, wild-type SpyCas9 can induce significant levels of unintended mutations at near-cognate sites, necessitating substantial efforts toward the development of strategies to minimize off-target activity. Although the genome-editing potential of thousands of other Cas9 orthologs remains largely untapped, it is not known how many will require similarly extensive engineering to achieve single-site accuracy within large (e.g. mammalian) genomes. In addition to its off-targeting propensity, SpyCas9 is encoded by a relatively large (~4.2 kb) open reading frame, limiting its utility in applications that require size-restricted delivery strategies such as adeno-associated virus vectors. In contrast, some genome-editing-validated Cas9 orthologs (e.g. from Staphylococcus aureus, Campylobacter jejuni, Geobacillus stearothermophilus and Neisseria meningitidis ) are considerably smaller and therefore better suited for viral delivery. Results Here we show that wild-type NmeCas9, when programmed with guide sequences of natural length (24 nucleotides), exhibits a nearly complete absence of unintended editing in human cells, even when targeting sites that are prone to off-target activity with wildtype SpyCas9. We also validate at least six variant protospacer adjacent motifs (PAMs), in addition to the preferred consensus PAM (5’-N 4 GATT-3’), for NmeCas9 genome editing in human cells. Conclusions Our results show that NmeCas9 is a naturally high-fidelity genome editing enzyme and suggest that additional Cas9 orthologs may prove to exhibit similarly high accuracy, even without extensive engineering.

Clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats (CRISPR) and CRISPR-associated proteins (Cas) have recently opened a new avenue for gene therapy. Cas9 nuclease guided by a single-guide RNA (sgRNA) has been extensively used for genome editing. Currently, three Cas9 orthologs have been adapted forin vivo genome engineering applications: SpyCas9, SauCas9 and CjeCas9. However, additional in vivo editing platforms are needed, in part to enable a greater range of sequences to be accessed via viral vectors, especially those in which Cas9 and sgRNA are combined into a single vector genome. Here, we present an additional in vivo editing platform using Neisseria meningitidis Cas9 (NmeCas9). NmeCas9 is compact, edits with high accuracy, and possesses a distinct PAM, making it an excellent candidate for safe gene therapy applications. We find that NmeCas9 can be used to target the Pcsk9 and Hpd genes in mice. Using tail vein hydrodynamic-based delivery of NmeCas9 plasmid to target the Hpd gene, we successfully reprogrammed the tyrosine degradation pathway in Hereditary Tyrosinemia Type I mice. More importantly, we delivered NmeCas9 with its single-guide RNA in a single recombinant adeno-associated vector (rAAV) to target Pcsk9, resulting in lower cholesterol levels in mice. This all-in-one vector yielded >35% gene modification after two weeks of vector administration, with minimal off-target cleavage in vivo. Our findings indicate that NmeCas9 can facilitate future efforts to correct disease-causing mutations by expanding the targeting scope of RNA-guided nucleases.

Abstract Obesity and type 2 diabetes (T2D) are associated with poor tissue responses to insulin 1,2 , disturbances in glucose and lipid fluxes 3–5 and comorbidities including steatohepatitis 6 and cardiovascular disease 7,8 . Despite extensive efforts at prevention and treatment 9,10 , diabetes afflicts over 400 million people worldwide 11 . Whole body metabolism is regulated by adipose tissue depots 12–14 , which include both lipid-storing white adipocytes and less abundant “brown” and “brite/beige” adipocytes that express thermogenic uncoupling protein UCP1 and secrete factors favorable to metabolic health 15–18 . Application of clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) gene editing 19,20 to enhance “browning” of white adipose tissue is an attractive therapeutic approach to T2D. However, the problems of cell-selective delivery, immunogenicity of CRISPR reagents and long term stability of the modified adipocytes are formidable. To overcome these issues, we developed methods that deliver complexes of SpyCas9 protein and sgRNA ex vivo to disrupt the thermogenesis suppressor gene NRIP1 21,22 with near 100% efficiency in human or mouse adipocytes. NRIP1 gene disruption at discrete loci strongly ablated NRIP1 protein and upregulated expression of UCP1 and beneficial secreted factors, while residual Cas9 protein and sgRNA were rapidly degraded. Implantation of the CRISPR-enhanced human or mouse brown-like adipocytes into high fat diet fed mice decreased adiposity and liver triglycerides while enhancing glucose tolerance compared to mice implanted with unmodified adipocytes. These findings advance a therapeutic strategy to improve metabolic homeostasis through CRISPR-based genetic modification of human adipocytes without exposure of the recipient to immunogenic Cas9 or delivery vectors.

RNA-guided nucleases (e.g. CRISPR-Cas) are used in a breadth of clinical and basic scientific subfields for the investigation or modification of biological processes. While these modern platforms for site-specific DNA cleavage are highly accurate, some applications (e.g. gene editing therapeutics) cannot tolerate DNA breaks at off-target sites, even at low levels. Thus, it is critically important to determine the genome-wide targeting profile of candidate RNA-guided nucleases prior to use. GUIDE-seq is a high-quality, easy-to-execute molecular method that detects and quantifies off-target cleavage. However, this method remains costly and inaccessible to many researchers due to its library sequencing and analysis protocols, which require a MiSeq platform that must be preprogramed for non-standard output. Here, we present GS-Preprocess, an open-source containerized software that can use standard raw data output (BCL file format) from any Illumina sequencer to create input for the Bioconductor GUIDEseq off-target profiling package. Single-command GS-Preprocess performs FASTQ demultiplexing, adapter trimming, alignment, and UMI reference construction, improving the ease and accessibility of the GUIDE-seq method for a wide range of researchers.

CRISPR-Cas systems are widely used for genome engineering technologies, and in their natural setting, they play crucial roles in bacterial and archaeal adaptive immunity, protecting against phages and other mobile genetic elements. Previously we discovered bacteriophage-encoded Cas9-specific anti-CRISPR (Acr) proteins that serve as countermeasures against host bacterial immunity by inactivating their CRISPR-Cas systems. We hypothesized that the evolutionary advantages conferred by anti-CRISPRs would drive the widespread occurrence of these proteins in nature. We have identified new anti-CRISPRs using the bioinformatic approach that successfully identified previous Acr proteins against Neisseria meningitidis Cas9 (NmeCas9). In this work we report two novel anti-CRISPR families in strains of Haemophilus parainfluenzae and Simonsiella muelleri, both of which harbor type II-C CRISPR-Cas systems. We characterize the type II-C Cas9 orthologs from H. parainfluenzae and S. muelleri, show that the newly identified Acrs are able to inhibit these systems, and define important features of their inhibitory mechanisms. The S. muelleri Acr is the most potent NmeCas9 inhibitor identified to date. Although inhibition of NmeCas9 by anti-CRISPRs from H. parainfluenzae and S. muelleri reveals cross-species inhibitory activity, more distantly related type II-C Cas9s are not inhibited by these proteins. The specificities of anti-CRISPRs and divergent Cas9s appear to reflect co-evolution of their strategies to combat or evade each other. Finally, we validate these new anti-CRISPR proteins as potent off-switches for Cas9 genome engineering applications.