CRISPR-Cas9 nucleases are widely used for genome editing but can induce unwanted off-target mutations. Existing strategies for reducing genome-wide off-target effects of the widely used Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9) are imperfect, possessing only partial or unproven efficacies and other limitations that constrain their use. Here we describe SpCas9-HF1, a high-fidelity variant harbouring alterations designed to reduce non-specific DNA contacts. SpCas9-HF1 retains on-target activities comparable to wild-type SpCas9 with >85% of single-guide RNAs (sgRNAs) tested in human cells. Notably, with sgRNAs targeted to standard non-repetitive sequences, SpCas9-HF1 rendered all or nearly all off-target events undetectable by genome-wide break capture and targeted sequencing methods. Even for atypical, repetitive target sites, the vast majority of off-target mutations induced by wild-type SpCas9 were not detected with SpCas9-HF1. With its exceptional precision, SpCas9-HF1 provides an alternative to wild-type SpCas9 for research and therapeutic applications. More broadly, our results suggest a general strategy for optimizing genome-wide specificities of other CRISPR-RNA-guided nucleases.

An unbiased approach for the genome-wide detection of off-target cleavage by CRISPR-Cas9 RNA–guided nucleases reveals wide variability in the off-target activity of different guide RNAs. CRISPR RNA-guided nucleases (RGNs) are widely used genome-editing reagents, but methods to delineate their genome-wide, off-target cleavage activities have been lacking. Here we describe an approach for global detection of DNA double-stranded breaks (DSBs) introduced by RGNs and potentially other nucleases. This method, called genome-wide, unbiased identification of DSBs enabled by sequencing (GUIDE-seq), relies on capture of double-stranded oligodeoxynucleotides into DSBs. Application of GUIDE-seq to 13 RGNs in two human cell lines revealed wide variability in RGN off-target activities and unappreciated characteristics of off-target sequences. The majority of identified sites were not detected by existing computational methods or chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq). GUIDE-seq also identified RGN-independent genomic breakpoint 'hotspots'. Finally, GUIDE-seq revealed that truncated guide RNAs exhibit substantially reduced RGN-induced, off-target DSBs. Our experiments define the most rigorous framework for genome-wide identification of RGN off-target effects to date and provide a method for evaluating the safety of these nucleases before clinical use.

Although CRISPR-Cas9 nucleases are widely used for genome editing, the range of sequences that Cas9 can recognize is constrained by the need for a specific protospacer adjacent motif (PAM). As a result, it can often be difficult to target double-stranded breaks (DSBs) with the precision that is necessary for various genome-editing applications. The ability to engineer Cas9 derivatives with purposefully altered PAM specificities would address this limitation. Here we show that the commonly used Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9) can be modified to recognize alternative PAM sequences using structural information, bacterial selection-based directed evolution, and combinatorial design. These altered PAM specificity variants enable robust editing of endogenous gene sites in zebrafish and human cells not currently targetable by wild-type SpCas9, and their genome-wide specificities are comparable to wild-type SpCas9 as judged by GUIDE-seq analysis. In addition, we identify and characterize another SpCas9 variant that exhibits improved specificity in human cells, possessing better discrimination against off-target sites with non-canonical NAG and NGA PAMs and/or mismatched spacers. We also find that two smaller-size Cas9 orthologues, Streptococcus thermophilus Cas9 (St1Cas9) and Staphylococcus aureus Cas9 (SaCas9), function efficiently in the bacterial selection systems and in human cells, suggesting that our engineering strategies could be extended to Cas9s from other species. Our findings provide broadly useful SpCas9 variants and, more importantly, establish the feasibility of engineering a wide range of Cas9s with altered and improved PAM specificities.

Sensitive detection of off-target effects is important for translating CRISPR-Cas9 nucleases into human therapeutics. In vitro biochemical methods for finding off-targets offer the potential advantages of greater reproducibility and scalability while avoiding limitations associated with strategies that require the culture and manipulation of living cells. Here we describe circularization for in vitro reporting of cleavage effects by sequencing (CIRCLE-seq), a highly sensitive, sequencing-efficient in vitro screening strategy that outperforms existing cell-based or biochemical approaches for identifying CRISPR-Cas9 genome-wide off-target mutations. In contrast to previously described in vitro methods, we show that CIRCLE-seq can be practiced using widely accessible next-generation sequencing technology and does not require reference genome sequences. Importantly, CIRCLE-seq can be used to identify off-target mutations associated with cell-type-specific single-nucleotide polymorphisms, demonstrating the feasibility and importance of generating personalized specificity profiles. CIRCLE-seq provides an accessible, rapid, and comprehensive method for identifying genome-wide off-target mutations of CRISPR-Cas9.

On-target activities and genome-wide specificities of Cpf1 nucleases in human cells. The activities and genome-wide specificities of CRISPR-Cas Cpf1 nucleases1 are not well defined. We show that two Cpf1 nucleases from Acidaminococcus sp. BV3L6 and Lachnospiraceae bacterium ND2006 (AsCpf1 and LbCpf1, respectively) have on-target efficiencies in human cells comparable with those of the widely used Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9)2,3,4,5. We also report that four to six bases at the 3′ end of the short CRISPR RNA (crRNA) used to program Cpf1 nucleases are insensitive to single base mismatches, but that many of the other bases in this region of the crRNA are highly sensitive to single or double substitutions. Using GUIDE-seq and targeted deep sequencing analyses performed with both Cpf1 nucleases, we were unable to detect off-target cleavage for more than half of 20 different crRNAs. Our results suggest that AsCpf1 and LbCpf1 are highly specific in human cells.

CRISPR-Cas9 nucleases target specific DNA sequences using a guide RNA but also require recognition of a protospacer adjacent motif (PAM) by the Cas9 protein. Although longer PAMs can potentially improve the specificity of genome editing, they limit the range of sequences that Cas9 orthologs can target. One potential strategy to relieve this restriction is to relax the PAM recognition specificity of Cas9. Here we used molecular evolution to modify the NNGRRT PAM of Staphylococcus aureus Cas9 (SaCas9). One variant we identified, referred to as KKH SaCas9, showed robust genome editing activities at endogenous human target sites with NNNRRT PAMs, thereby increasing SaCas9 targeting range by two- to fourfold. Using GUIDE-seq, we show that wild-type and KKH SaCas9 induce comparable numbers of off-target effects in human cells. Our strategy for evolving PAM specificity does not require structural information and therefore should be applicable to a wide range of Cas9 orthologs.

CRISPR-Cas genome-editing nucleases hold substantial promise for human therapeutics 1–5 but identifying unwanted off-target mutations remains an important requirement for clinical translation 6, 7 . For ex vivo therapeutic applications, previously published cell-based genome-wide methods provide potentially useful strategies to identify and quantify these off-target mutation sites 8–12 . However, a well-validated method that can reliably identify off-targets in vivo has not been described to date, leaving the question of whether and how frequently these types of mutations occur. Here we describe Verification of In Vivo Off-targets (VIVO) , a highly sensitive, unbiased, and generalizable strategy that we show can robustly identify genome-wide CRISPR-Cas nuclease off-target effects in vivo . To our knowledge, these studies provide the first demonstration that CRISPR-Cas nucleases can induce substantial off-target mutations in vivo , a result we obtained using a deliberately promiscuous guide RNA (gRNA) . More importantly, we used VIVO to show that appropriately designed gRNAs can direct efficient in vivo editing without inducing detectable off-target mutations. Our findings provide strong support for and should encourage further development of in vivo genome editing therapeutic strategies.

CRISPR-Cas Cpf1 nucleases have recently been described as an alternative genome-editing platform, yet their activities and genome-wide specificities remain largely undefined. Here we show that two Cpf1 nucleases function robustly in human cells with on-target efficiencies comparable to those of the widely used Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9). We also demonstrate that four to six bases at the 3' end of the short CRISPR RNA (crRNA) used to program Cpf1 are insensitive to single base mismatches but that many of the other bases within the crRNA targeting region are highly sensitive to single or double substitutions. Consistent with these results, GUIDE-seq and targeted deep sequencing analyses of two Cpf1 nucleases revealed no detectable off-target cleavage for over half of 20 different crRNAs we examined. Our results suggest that the two Cpf1 nucleases we characterized generally possess high specificities in human cells, a finding that should encourage broader use of these genome editing enzymes.

ABSTRACT Background Waitlist and posttransplant outcomes have been widely reported for pediatric liver transplantation. Yet, analyzing these metrics individually fails to provide a holistic perspective for patients and their families. Intent‐to‐treat (ITT) analysis fills this gap by studying the associations between waitlist outcomes, organ availability, and posttransplant outcomes. Our study aimed to construct a predictive index utilizing ITT analysis for pediatric liver transplant recipients (Pedi‐ITT). Methods We performed a retrospective analysis utilizing de‐identified data provided by the United Network for Organ Sharing (UNOS) from March 1, 2002, to December 31, 2021. We analyzed data for 12 926 pediatric recipients (age <18). We conducted a univariate and multivariable logistic regression to find the significant predictive factors affecting ITT survival. A scoring index was constructed to stratify outcome risk on the basis of the significant factors identified by regression analysis. Results Multivariable analysis found the following factors to be significantly associated with death on the waitlist or after transplant: gender, diagnosis, UNOS region, ascites, diabetes mellitus, age at the time of listing, serum sodium at the time of listing, total bilirubin at the time of listing, serum creatinine at the time of listing, INR at the time of listing, history of ventilator use, and history of re‐transplantation. Using receiver operator characteristic analysis, the Pedi‐ITT index had a c ‐statistic of 0.79 (95% confidence interval [CI]: 0.76–0.82). The c ‐statistics of the Model for End‐Stage Liver Disease/Pediatric for End‐Stage Liver Disease and pediatric version of the Survival Outcomes Following Liver Transplantation score indices were 0.74 (CI: 0.71–0.76) and 0.69 (CI: 0.66–0.72), respectively. Conclusions The Pedi‐ITT index provides an additional prognostic model with moderate predictive power to assess outcomes associated with pediatric liver transplantation. Further analysis should focus on increasing the predictive power of the index.

In pediatric liver transplants, dysnatremias have been found to have an impact on pre- and post-transplant outcomes. However, much of the current literature has focused on wait-list survival, secondary organ damage, and dysnatremia in donors rather than in recipients. To understand the effect of recipient immediate pre-transplant hypernatremia on post-transplant mortality, we conducted a multivariable retrospective review analyzing data from 8,011 pediatric patients undergoing liver transplantation provided by the United Network for Organ Sharing (UNOS). Multivariable analysis of hypernatremia showed an increased risk of mortality (odds ratio [OR]: 2.49, 95% confidence interval [CI]: 1.75, 3.54 for a serum sodium between 150-155 mEq/L) while hyponatremia did not show a significant increase in relative risk for mortality (HR: 1.11, 95% CI: 0.75, 1.63 for a serum sodium between 125-130 mEq/L). Kaplan-Meier (KM) curves stratified by sodium level showed statistically significant differences in outcomes with progressively increasing mortality associated with increasing serum sodium levels. In particular, there is a statistically significant increase in 90-day mortality with serum sodium levels above 150 mEq/L. Hyponatremia had a moderate impact on mortality but was not statistically significant. Our analysis of immediate pre-transplantation resolution of hypernatremia also showed improved survival outcomes with a decreased mortality compared to transplant patients with unresolved hypernatremia. In conclusion, immediate pre-transplant recipient hypernatremia has a substantial impact on pediatric post-liver transplantation survival. Corrected hypernatremia resulted in decreased mortality compared to uncorrected hypernatremia. Recipient hypernatremia is an important indicator of disease processes and a predictor of poor post-transplantation mortality outcomes.