CRISPR/Cas9 has revolutionized our ability to engineer genomes and conduct genome-wide screens in human cells1–3. Whereas some cell types are amenable to genome engineering, genomes of human pluripotent stem cells (hPSCs) have been difficult to engineer, with reduced efficiencies relative to tumour cell lines or mouse embryonic stem cells3–13. Here, using hPSC lines with stable integration of Cas9 or transient delivery of Cas9-ribonucleoproteins (RNPs), we achieved an average insertion or deletion (indel) efficiency greater than 80%. This high efficiency of indel generation revealed that double-strand breaks (DSBs) induced by Cas9 are toxic and kill most hPSCs. In previous studies, the toxicity of Cas9 in hPSCs was less apparent because of low transfection efficiency and subsequently low DSB induction3. The toxic response to DSBs was P53/TP53-dependent, such that the efficiency of precise genome engineering in hPSCs with a wild-type P53 gene was severely reduced. Our results indicate that Cas9 toxicity creates an obstacle to the high-throughput use of CRISPR/Cas9 for genome engineering and screening in hPSCs. Moreover, as hPSCs can acquire P53 mutations14, cell replacement therapies using CRISPR/Cas9-enginereed hPSCs should proceed with caution, and such engineered hPSCs should be monitored for P53 function. CRISPR–Cas9-induced DNA damage triggers p53 to limit the efficiency of gene editing in human pluripotent cells.

CRISPR/Cas9 has revolutionized our ability to engineer genomes and to conduct genome-wide screens in human cells. While some cell types are easily modified with Cas9, human pluripotent stem cells (hPSCs) poorly tolerate Cas9 and are difficult to engineer. Using a stable Cas9 cell line or transient delivery of ribonucleoproteins (RNPs) we achieved an average insertion or deletion efficiency greater than 80%. This high efficiency made it apparent that double strand breaks (DSBs) induced by Cas9 are toxic and kill most treated hPSCs. Cas9 toxicity creates an obstacle to the high-throughput use CRISPR/Cas9 for genome-engineering and screening in hPSCs. We demonstrated the toxic response is tp53-dependent and the toxic effect of tp53 severely reduces the efficiency of precise genome-engineering in hPSCs. Our results highlight that CRISPR-based therapies derived from hPSCs should proceed with caution. Following engineering, it is critical to monitor for tp53 function, especially in hPSCs which spontaneously acquire tp53 mutations.