CRISPR/Cas9 systems are a versatile tool for genome editing due to the highly efficient targeting of DNA sequences complementary to their RNA guide strands. However, it has been shown that RNA-guided Cas9 nuclease cleaves genomic DNA sequences containing mismatches to the guide strand. A better understanding of the CRISPR/Cas9 specificity is needed to minimize off-target cleavage in large mammalian genomes. Here we show that genomic sites could be cleaved by CRISPR/Cas9 systems when DNA sequences contain insertions (‘DNA bulge’) or deletions (‘RNA bulge’) compared to the RNA guide strand, and Cas9 nickases used for paired nicking can also tolerate bulges in one of the guide strands. Variants of single-guide RNAs (sgRNAs) for four endogenous loci were used as model systems, and their cleavage activities were quantified at different positions with 1- to 5-bp bulges. We further investigated 114 putative genomic off-target loci of 27 different sgRNAs and confirmed 15 off-target sites, each harboring a single-base bulge and one to three mismatches to the guide strand. Our results strongly indicate the need to perform comprehensive off-target analysis related to DNA and sgRNA bulges in addition to base mismatches, and suggest specific guidelines for reducing potential off-target cleavage.

The ability to precisely modify endogenous genes can significantly facilitate biological studies and disease treatment, and the clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) systems have the potential to be powerful tools for genome engineering. However, the target specificity of CRISPR systems is largely unknown. Here we demonstrate that CRISPR/Cas9 systems targeting the human hemoglobin β and C-C chemokine receptor type 5 genes have substantial off-target cleavage, especially within the hemoglobin δ and C-C chemokine receptor type 2 genes, respectively, causing gross chromosomal deletions. The guide strands of the CRISPR/Cas9 systems were designed to have a range of mismatches with the sequences of potential off-target sites. Off-target analysis was performed using the T7 endonuclease I mutation detection assay and Sanger sequencing. We found that the repair of the on-and off-target cleavage resulted in a wide variety of insertions, deletions and point mutations. Therefore, CRISPR/Cas9 systems need to be carefully designed to avoid potential off-target cleavage sites, including those with mismatches to the 12-bases proximal to the guide strand protospacer-adjacent motif.

Precise genome editing using engineered nucleases can significantly facilitate biological studies and disease treatment. In particular, clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) with CRISPR-associated (Cas) proteins are a potentially powerful tool for modifying a genome by targeted cleavage of DNA sequences complementary to designed guide strand RNAs. Although CRISPR/Cas systems can have on-target cleavage rates close to the transfection rates, they may also have relatively high off-target cleavage at similar genomic sites that contain one or more base pair mismatches, and insertions or deletions relative to the guide strand. We have developed a bioinformatics-based tool, COSMID (CRISPR Off-target Sites with Mismatches, Insertions, and Deletions) that searches genomes for potential off-target sites (http://crispr.bme.gatech.edu). Based on the user-supplied guide strand and input parameters, COSMID identifies potential off-target sites with the specified number of mismatched bases and insertions or deletions when compared with the guide strand. For each site, amplification primers optimal for the chosen application are also given as output. This ranked-list of potential off-target sites assists the choice and evaluation of intended target sites, thus helping the design of CRISPR/Cas systems with minimal off-target effects, as well as the identification and quantification of CRISPR/Cas induced off-target cleavage in cells.

Individuals homozygous for the C-C chemokine receptor type 5 gene with 32-bp deletions (CCR5Δ32) are resistant to HIV-1 infection. In this study, we generated induced pluripotent stem cells (iPSCs) homozygous for the naturally occurring CCR5Δ32 mutation through genome editing of wild-type iPSCs using a combination of transcription activator-like effector nucleases (TALENs) or RNA-guided clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-Cas9 together with the piggyBac technology. Remarkably, TALENs or CRISPR-Cas9-mediated double-strand DNA breaks resulted in up to 100% targeting of the colonies on one allele of which biallelic targeting occurred at an average of 14% with TALENs and 33% with CRISPR. Excision of the piggyBac using transposase seamlessly reproduced exactly the naturally occurring CCR5Δ32 mutation without detectable exogenous sequences. We differentiated these modified iPSCs into monocytes/macrophages and demonstrated their resistance to HIV-1 challenge. We propose that this strategy may provide an approach toward a functional cure of HIV-1 infection.

RNA-guided nucleases (RGNs) based on the type II CRISPR-Cas9 system of Streptococcus pyogenes (Sp) have been widely used for genome editing in experimental models. However, the nontrivial level of off-target activity reported in several human cells may hamper clinical translation. RGN specificity depends on both the guide RNA (gRNA) and the protospacer adjacent motif (PAM) recognized by the Cas9 protein. We hypothesized that more stringent PAM requirements reduce the occurrence of off-target mutagenesis. To test this postulation, we generated RGNs based on two Streptococcus thermophilus (St) Cas9 proteins, which recognize longer PAMs, and performed a side-by-side comparison of the three RGN systems targeted to matching sites in two endogenous human loci, PRKDC and CARD11. Our results demonstrate that in samples with comparable on-target cleavage activities, significantly lower off-target mutagenesis was detected using St-based RGNs as compared to the standard Sp-RGNs. Moreover, similarly to SpCas9, the StCas9 proteins accepted truncated gRNAs, suggesting that the specificities of St-based RGNs can be further improved. In conclusion, our results show that Cas9 proteins with longer or more restrictive PAM requirements provide a safe alternative to SpCas9-based RGNs and hence a valuable option for future human gene therapy applications. RNA-guided nucleases (RGNs) based on the type II CRISPR-Cas9 system of Streptococcus pyogenes (Sp) have been widely used for genome editing in experimental models. However, the nontrivial level of off-target activity reported in several human cells may hamper clinical translation. RGN specificity depends on both the guide RNA (gRNA) and the protospacer adjacent motif (PAM) recognized by the Cas9 protein. We hypothesized that more stringent PAM requirements reduce the occurrence of off-target mutagenesis. To test this postulation, we generated RGNs based on two Streptococcus thermophilus (St) Cas9 proteins, which recognize longer PAMs, and performed a side-by-side comparison of the three RGN systems targeted to matching sites in two endogenous human loci, PRKDC and CARD11. Our results demonstrate that in samples with comparable on-target cleavage activities, significantly lower off-target mutagenesis was detected using St-based RGNs as compared to the standard Sp-RGNs. Moreover, similarly to SpCas9, the StCas9 proteins accepted truncated gRNAs, suggesting that the specificities of St-based RGNs can be further improved. In conclusion, our results show that Cas9 proteins with longer or more restrictive PAM requirements provide a safe alternative to SpCas9-based RGNs and hence a valuable option for future human gene therapy applications.

The clustered regularly-interspaced short palindromic repeats (CRISPR)—CRISPR-associated (Cas) system from Streptococcus pyogenes (Spy) has been successfully adapted for RNA-guided genome editing in a wide range of organisms. However, numerous reports have indicated that Spy CRISPR-Cas9 systems may have significant off-target cleavage of genomic DNA sequences differing from the intended on-target site. Here, we report the performance of the Neisseria meningitidis (Nme) CRISPR-Cas9 system that requires a longer protospacer-adjacent motif for site-specific cleavage, and present a comparison between the Spy and Nme CRISPR-Cas9 systems targeting the same protospacer sequence. The results with the native crRNA and tracrRNA as well as a chimeric single guide RNA for the Nme CRISPR-Cas9 system were also compared. Our results suggest that, compared with the Spy system, the Nme CRISPR-Cas9 system has similar or lower on-target cleavage activity but a reduced overall off-target effect on a genomic level when sites containing three or fewer mismatches are considered. Thus, the Nme CRISPR-Cas9 system may represent a safer alternative for precision genome engineering applications. The clustered regularly-interspaced short palindromic repeats (CRISPR)—CRISPR-associated (Cas) system from Streptococcus pyogenes (Spy) has been successfully adapted for RNA-guided genome editing in a wide range of organisms. However, numerous reports have indicated that Spy CRISPR-Cas9 systems may have significant off-target cleavage of genomic DNA sequences differing from the intended on-target site. Here, we report the performance of the Neisseria meningitidis (Nme) CRISPR-Cas9 system that requires a longer protospacer-adjacent motif for site-specific cleavage, and present a comparison between the Spy and Nme CRISPR-Cas9 systems targeting the same protospacer sequence. The results with the native crRNA and tracrRNA as well as a chimeric single guide RNA for the Nme CRISPR-Cas9 system were also compared. Our results suggest that, compared with the Spy system, the Nme CRISPR-Cas9 system has similar or lower on-target cleavage activity but a reduced overall off-target effect on a genomic level when sites containing three or fewer mismatches are considered. Thus, the Nme CRISPR-Cas9 system may represent a safer alternative for precision genome engineering applications.