Transcription activator–like effector nucleases (TALENs) are a new technology for modifying the genome at specific loci of interest. Hockemeyer et al. now demonstrate the utility of TALENs for gene targeting in human pluripotent stem cells. Targeted genetic engineering of human pluripotent cells is a prerequisite for exploiting their full potential. Such genetic manipulations can be achieved using site-specific nucleases. Here we engineered transcription activator–like effector nucleases (TALENs) for five distinct genomic loci. At all loci tested we obtained human embryonic stem cell (ESC) and induced pluripotent stem cell (iPSC) clones carrying transgenic cassettes solely at the TALEN-specified location. Our data suggest that TALENs employing the specific architectures described here mediate site-specific genome modification in human pluripotent cells with similar efficiency and precision as do zinc-finger nucleases (ZFNs).

Zinc-finger nucleases (ZFNs) are powerful tools for producing gene knockouts (KOs) with high efficiency. Whereas ZFN-mediated gene disruption has been demonstrated in laboratory animals such as mice, rats, and fruit flies, ZFNs have not been used to disrupt an endogenous gene in any large domestic species. Here we used ZFNs to induce a biallelic knockout of the porcine α1,3-galactosyltransferase ( GGTA1 ) gene. Primary porcine fibroblasts were treated with ZFNs designed against the region coding for the catalytic core of GGTA1 , resulting in biallelic knockout of ∼1% of ZFN-treated cells. A galactose (Gal) epitope counter-selected population of these cells was used in somatic cell nuclear transfer (SCNT). Of the resulting six fetuses, all completely lacked Gal epitopes and were phenotypically indistinguishable from the starting donor cell population, illustrating that ZFN-mediated genetic modification did not interfere with the cloning process. Neither off-target cleavage events nor integration of the ZFN-coding plasmid was detected. The GGTA1 -KO phenotype was confirmed by a complement lysis assay that demonstrated protection of GGTA1 -KO fibroblasts relative to wild-type cells. Cells from GGTA1 -KO fetuses and pooled, transfected cells were used to produce live offspring via SCNT. This study reports the production of cloned pigs carrying a biallelic ZFN-induced knockout of an endogenous gene. These findings open a unique avenue toward the creation of gene KO pigs, which could benefit both agriculture and biomedicine.

Gene knockout is the most powerful tool for determining gene function or permanently modifying the phenotypic characteristics of a cell. Existing methods for gene disruption are limited by their efficiency, time to completion, and/or the potential for confounding off-target effects. Here, we demonstrate a rapid single-step approach to targeted gene knockout in mammalian cells, using engineered zinc-finger nucleases (ZFNs). ZFNs can be designed to target a chosen locus with high specificity. Upon transient expression of these nucleases the target gene is first cleaved by the ZFNs and then repaired by a natural-but imperfect-DNA repair process, nonhomologous end joining. This often results in the generation of mutant (null) alleles. As proof of concept for this approach we designed ZFNs to target the dihydrofolate reductase (DHFR) gene in a Chinese hamster ovary (CHO) cell line. We observed biallelic gene disruption at frequencies >1%, thus obviating the need for selection markers. Three new genetically distinct DHFR(-/-) cell lines were generated. Each new line exhibited growth and functional properties consistent with the specific knockout of the DHFR gene. Importantly, target gene disruption is complete within 2-3 days of transient ZFN delivery, thus enabling the isolation of the resultant DHFR(-/-) cell lines within 1 month. These data demonstrate further the utility of ZFNs for rapid mammalian cell line engineering and establish a new method for gene knockout with application to reverse genetics, functional genomics, drug discovery, and therapeutic recombinant protein production.