A comparison of seven dCas9-based transcriptional activators shows that VPR, SAM, and Suntag perform best in cell lines from a variety of organisms. Several programmable transcription factors exist based on the versatile Cas9 protein, yet their relative potency and effectiveness across various cell types and species remain unexplored. Here, we compare Cas9 activator systems and examine their ability to induce robust gene expression in several human, mouse, and fly cell lines. We also explore the potential for improved activation through the combination of the most potent activator systems, and we assess the role of cooperativity in maximizing gene expression.

The RNA-guided endonuclease Cas9 can be converted into a programmable transcriptional repressor, but inefficiencies in target-gene silencing have limited its utility. Here we describe an improved Cas9 repressor based on the C-terminal fusion of a rationally designed bipartite repressor domain, KRAB–MeCP2, to nuclease-dead Cas9. We demonstrate the system’s superiority in silencing coding and noncoding genes, simultaneously repressing a series of target genes, improving the results of single and dual guide RNA library screens, and enabling new architectures of synthetic genetic circuits. The fusion of dead Cas9 with KRAB and the transcriptional repressor domain of the chromatin modifier MeCP2 leads to an efficient transcriptional silencer that can be applied to genome-scale screens and genetic circuits.

Here we present a generalized method of guide RNA tuning that enables Cas9 to discriminate between two target sites that differ by a single nucleotide polymorphism. We employ our methodology to generate a novel in vivo mutation prevention system in which Cas9 actively restricts the occurrence of undesired gain-of-function mutations within a population of engineered organisms. We further demonstrate that the system is scalable to a multitude of targets and that the general tuning and prevention concepts are portable across engineered Cas9 variants and Cas9 orthologs. Finally, we show that the designed mutation prevention system maintains robust activity even when placed within the complex environment of the mouse gastrointestinal tract.

Construction of genetic variant libraries with phenotypic measurement is central to advancing today's functional genomics, and remains a grand challenge. Here, we introduce a Cas9-based approach for generating pools of mutants with defined genetic alterations (deletions, substitutions and insertions), along with methods for tracking their fitness en masse. We demonstrate the utility of our approach in performing focused analysis of hundreds of mutants of a single protein and in investigating the biological function of an entire family of poorly characterized genetic elements. Our platform allows fundamental biology questions to be investigated in a quick, easy and affordable manner.