Genome editing tools such as the clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)-associated system (Cas) have been widely used to modify genes in model systems including animal zygotes and human cells, and hold tremendous promise for both basic research and clinical applications. To date, a serious knowledge gap remains in our understanding of DNA repair mechanisms in human early embryos, and in the efficiency and potential off-target effects of using technologies such as CRISPR/Cas9 in human pre-implantation embryos. In this report, we used tripronuclear (3PN) zygotes to further investigate CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human cells. We found that CRISPR/Cas9 could effectively cleave the endogenous β-globin gene (HBB). However, the efficiency of homologous recombination directed repair (HDR) of HBB was low and the edited embryos were mosaic. Off-target cleavage was also apparent in these 3PN zygotes as revealed by the T7E1 assay and whole-exome sequencing. Furthermore, the endogenous delta-globin gene (HBD), which is homologous to HBB, competed with exogenous donor oligos to act as the repair template, leading to untoward mutations. Our data also indicated that repair of the HBB locus in these embryos occurred preferentially through the non-crossover HDR pathway. Taken together, our work highlights the pressing need to further improve the fidelity and specificity of the CRISPR/Cas9 platform, a prerequisite for any clinical applications of CRSIPR/Cas9-mediated editing.

β-Thalassemia is a global health issue, caused by mutations in the HBB gene. Among these mutations, HBB −28 (A>G) mutations is one of the three most common mutations in China and Southeast Asia patients with β-thalassemia. Correcting this mutation in human embryos may prevent the disease being passed onto future generations and cure anemia. Here we report the first study using base editor (BE) system to correct disease mutant in human embryos. Firstly, we produced a 293T cell line with an exogenous HBB −28 (A>G) mutant fragment for gRNAs and targeting efficiency evaluation. Then we collected primary skin fibroblast cells from a β-thalassemia patient with HBB −28 (A>G) homozygous mutation. Data showed that base editor could precisely correct HBB −28 (A>G) mutation in the patient's primary cells. To model homozygous mutation disease embryos, we constructed nuclear transfer embryos by fusing the lymphocyte or skin fibroblast cells with enucleated in vitro matured (IVM) oocytes. Notably, the gene correction efficiency was over 23.0% in these embryos by base editor. Although these embryos were still mosaic, the percentage of repaired blastomeres was over 20.0%. In addition, we found that base editor variants, with narrowed deamination window, could promote G-to-A conversion at HBB −28 site precisely in human embryos. Collectively, this study demonstrated the feasibility of curing genetic disease in human somatic cells and embryos by base editor system.