The targeted deletion, replacement, integration or inversion of genomic sequences could be used to study or treat human genetic diseases, but existing methods typically require double-strand DNA breaks (DSBs) that lead to undesired consequences, including uncontrolled indel mixtures and chromosomal abnormalities. Here we describe twin prime editing (twinPE), a DSB-independent method that uses a prime editor protein and two prime editing guide RNAs (pegRNAs) for the programmable replacement or excision of DNA sequences at endogenous human genomic sites. The two pegRNAs template the synthesis of complementary DNA flaps on opposing strands of genomic DNA, which replace the endogenous DNA sequence between the prime-editor-induced nick sites. When combined with a site-specific serine recombinase, twinPE enabled targeted integration of gene-sized DNA plasmids (>5,000 bp) and targeted sequence inversions of 40 kb in human cells. TwinPE expands the capabilities of precision gene editing and might synergize with other tools for the correction or complementation of large or complex human pathogenic alleles. Prime editing of large DNA sequences is achieved with two pegRNAs and site-specific recombinases.

Tumor metastasis remains the major cause of cancer-related death, but its molecular basis is still not well understood. Here we uncovered a splicing-mediated pathway that is essential for breast cancer metastasis. We show that the RNA-binding protein heterogeneous nuclear ribonucleoprotein M (hnRNPM) promotes breast cancer metastasis by activating the switch of alternative splicing that occurs during epithelial–mesenchymal transition (EMT). Genome-wide deep sequencing analysis suggests that hnRNPM potentiates TGFβ signaling and identifies CD44 as a key downstream target of hnRNPM. hnRNPM ablation prevents TGFβ-induced EMT and inhibits breast cancer metastasis in mice, whereas enforced expression of the specific CD44 standard (CD44s) splice isoform overrides the loss of hnRNPM and permits EMT and metastasis. Mechanistically, we demonstrate that the ubiquitously expressed hnRNPM acts in a mesenchymal-specific manner to precisely control CD44 splice isoform switching during EMT. This restricted cell-type activity of hnRNPM is achieved by competition with ESRP1, an epithelial splicing regulator that binds to the same cis -regulatory RNA elements as hnRNPM and is repressed during EMT. Importantly, hnRNPM is associated with aggressive breast cancer and correlates with increased CD44s in patient specimens. These findings demonstrate a novel molecular mechanism through which tumor metastasis is endowed by the hnRNPM-mediated splicing program.

Summary The targeted deletion, replacement, integration, or inversion of DNA sequences at specified locations in the genome could be used to study or treat many human genetic diseases. Here, we describe twin prime editing (twinPE), a method for the programmable replacement or excision of DNA sequence at endogenous human genomic sites without requiring double-strand DNA breaks. TwinPE uses a prime editor (PE) protein and two prime editing guide RNAs (pegRNAs) that template the synthesis of complementary DNA flaps on opposing strands of genomic DNA, resulting in the replacement of endogenous DNA sequence between the PE-induced nick sites with pegRNA-encoded sequences. We show that twinPE in human cells can perform precise deletions of at least 780 bp and precise replacements of genomic DNA sequence with new sequences of at least 108 bp. By combining single or multiplexed twinPE with site-specific serine recombinases either in separate steps or in a single step, we demonstrate targeted integration of gene-sized DNA plasmids (>5,000 bp) into safe-harbor loci including AAVS1 , CCR5, and ALB in human cells. To our knowledge, these results represent the first RNA-programmable insertion of gene-sized DNA sequences into targeted genomic sites of unmodified human cells without requiring double-strand breaks or homology-directed repair. Twin PE combined with recombinases also mediated a 40,167-bp inversion at IDS that corrects a common Hunter syndrome allele. TwinPE expands the capabilities of precision gene editing without requiring double-strand DNA breaks and synergizes with other tools to enable the correction or complementation of large or complex pathogenic alleles in human cells.

Methods for the targeted integration of genes in mammalian genomes suffer from low programmability, low efficiencies or low specificities. Here we show that phage-assisted continuous evolution enhances prime-editing-assisted site-specific integrase gene editing (PASSIGE), which couples the programmability of prime editing with the ability of recombinases to precisely integrate large DNA cargoes exceeding 10 kilobases. Evolved and engineered Bxb1 recombinase variants (evoBxb1 and eeBxb1) mediated up to 60% donor integration (3.2-fold that of wild-type Bxb1) in human cell lines with pre-installed recombinase landing sites. In single-transfection experiments at safe-harbour and therapeutically relevant sites, PASSIGE with eeBxb1 led to an average targeted-gene-integration efficiencies of 23% (4.2-fold that of wild-type Bxb1). Notably, integration efficiencies exceeded 30% at multiple sites in primary human fibroblasts. PASSIGE with evoBxb1 or eeBxb1 outperformed PASTE (for 'programmable addition via site-specific targeting elements', a method that uses prime editors fused to recombinases) on average by 9.1-fold and 16-fold, respectively. PASSIGE with continuously evolved recombinases is an unusually efficient method for the targeted integration of genes in mammalian cells.

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.

Abstract Base editors (BEs) have opened new avenues for the treatment of genetic diseases. However, advances in delivery approaches are needed to enable disease targeting of a broad range of tissues and cell types. Adeno-associated virus (AAV) vectors remain one of the most promising delivery vehicles for gene therapies. Currently, most BE/guide combinations and their promoters exceed the packaging limit (~5 kb) of AAVs. Dual-AAV delivery strategies often require high viral doses that impose safety concerns. In this study, we engineered an adenine base editor using a compact Cas9 from Neisseria meningitidis (Nme2Cas9). Compared to the well-characterized Streptococcus pyogenes Cas9-containing ABEs, Nme2-ABE possesses a distinct PAM (N 4 CC) and editing window, exhibits fewer off-target effects, and can efficiently install therapeutically relevant mutations in both human and mouse genomes. Importantly, we show that in vivo delivery of Nme2-ABE and its guide RNA by a single-AAV vector can efficiently edit mouse genomic loci and revert the disease mutation and phenotype in an adult mouse model of tyrosinemia. We anticipate that Nme2-ABE, by virtue of its compact size and broad targeting range, will enable a range of therapeutic applications with improved safety and efficacy due in part to packaging in a single-vector system.