We describe the use of zinc-finger nucleases (ZFNs) for somatic and germline disruption of genes in zebrafish (Danio rerio), in which targeted mutagenesis was previously intractable. ZFNs induce a targeted double-strand break in the genome that is repaired to generate small insertions and deletions. We designed ZFNs targeting the zebrafish golden and no tail/Brachyury (ntl) genes and developed a budding yeast–based assay to identify the most active ZFNs for use in vivo. Injection of ZFN-encoding mRNA into one-cell embryos yielded a high percentage of animals carrying distinct mutations at the ZFN-specified position and exhibiting expected loss-of-function phenotypes. Over half the ZFN mRNA-injected founder animals transmitted disrupted ntl alleles at frequencies averaging 20%. The frequency and precision of gene-disruption events observed suggest that this approach should be applicable to any loci in zebrafish or in other organisms that allow mRNA delivery into the fertilized egg.

Engineered nucleases target specific DNA sequences for gene disruption in nonmodel organisms.

Modern agriculture demands crops carrying multiple traits. The current paradigm of randomly integrating and sorting independently segregating transgenes creates severe downstream breeding challenges. A versatile, generally applicable solution is hereby provided: the combination of high-efficiency targeted genome editing driven by engineered zinc finger nucleases (ZFNs) with modular 'trait landing pads' (TLPs) that allow 'mix-and-match', on-demand transgene integration and trait stacking in crop plants. We illustrate the utility of nuclease-driven TLP technology by applying it to the stacking of herbicide resistance traits. We first integrated into the maize genome an herbicide resistance gene, pat, flanked with a TLP (ZFN target sites and sequences homologous to incoming DNA) using WHISKERS™-mediated transformation of embryogenic suspension cultures. We established a method for targeted transgene integration based on microparticle bombardment of immature embryos and used it to deliver a second trait precisely into the TLP via cotransformation with a donor DNA containing a second herbicide resistance gene, aad1, flanked by sequences homologous to the integrated TLP along with a corresponding ZFN expression construct. Remarkably, up to 5% of the embryo-derived transgenic events integrated the aad1 transgene precisely at the TLP, that is, directly adjacent to the pat transgene. Importantly and consistent with the juxtaposition achieved via nuclease-driven TLP technology, both herbicide resistance traits cosegregated in subsequent generations, thereby demonstrating linkage of the two independently transformed transgenes. Because ZFN-mediated targeted transgene integration is becoming applicable across an increasing number of crop species, this work exemplifies a simple, facile and rapid approach to trait stacking.