$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
W tym artykule staramy się poprawić specyfikę Cas9 poprzez połączenie różnych strategii. Opracowano różne metody unikania niezamierzonych skutków CRISPR-Cas9. Na przykład, skrócone sgRNA mogą być użyte do osiągnięcia wyższej swoistości1. Dodatkowo, metoda dostarczania Cas9 może zostać zmieniona z formatu plazmidu na format RNP w celu uzyskania wyższej specyficzności2. Specyficzne reszty aminokwasowe białka Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9) zostały zmodyfikowane zgodnie z racjonalnym projektem opisanym wcześniej3,4,5. Alternatywnie, reszty aminokwasowe zostały zmienione w sposób losowy, a warianty Cas9 o najwyższej specyficzności zostały zidentyfikowane za pomocą systemu badań przesiewowych drożdży6 lub E. coli7,8 system przesiewowy.
Jednak wiele grup zgłosiło, że warianty Cas9 zaprojektowane przy użyciu projektu w celu osłabienia niespecyficznej interakcji między Cas9 a substratem wykazują niską aktywność na celu7,8,9,10,11,12. Opracowaliśmy oparty na E. coli system ukierunkowanej ewolucji, Sniper-screen, do badania losowo zmutagenizowanych wariantów Cas9. System badań przesiewowych E. coli ma przewagę nad systemem drożdżowym ze względu na szybszy czas podwajania i wyższą wydajność przemiany E. coli.
Zarówno selekcja negatywna, jak i pozytywna, oparta na trzech różnych plazmidach i genie zainteresowania (GOI) zintegrowanym z genomem E. coli, jest używana w Sniper-screen. Warianty Cas9 ulegają ekspresji w systemie podwójnego promotora plazmidu o niskiej liczbie kopii CMV-PltetO1, dzięki czemu kandydaci zidentyfikowani w E. coli mogą być testowani w komórkach ssaków bez konieczności subklonowania. Rząd Indii wprowadza się do genomu E. coli za pomocą systemu transpozonów Tn7. Plazmid sgRNA, który zawiera wrażliwy na temperaturę początek replikacji, wyraża sgRNA ukierunkowany na GOI; jednak sekwencje sgRNA i GOI nie są idealnie dopasowane. Idealnie dopasowane miejsce docelowe sgRNA znajduje się na trzecim plazmidzie zawierającym gen ccdB, który koduje śmiertelny produkt zatruwający gyrazę. W tym systemie komórki wyrażające warianty Cas9 o wysokiej aktywności poza celem są usuwane, ponieważ pęknięcia dwuniciowe (DSB) są wprowadzane do niedopasowanego miejsca znajdującego się w genomowym DNA. Z drugiej strony, komórki wykazujące ekspresję wariantów Cas9 o niskiej aktywności docelowej są również usuwane z powodu śmiertelnej ekspresji genu ccdB. Poziom ekspresji wariantów Cas9 można zmienić poprzez zmianę stężenia anhydrotetracykliny (ATC), która dostosowuje siłę selekcyjną.
Doszliśmy do wniosku, że zlokalizowanie niedopasowanego miejsca docelowego sgRNA w genomowym DNA, a nie na plazmidzie, zwiększy czułość systemu. Zaletą tego podejścia jest to, że istnieje tylko jedno miejsce genomowe, podczas gdy w jednej komórce E. coli znajduje się wiele plazmidów, z których każdy zawiera miejsce docelowe.
Korzystając z tego systemu, zidentyfikowaliśmy wariant Cas9, Sniper-Cas9, który pokazuje działania na poziomie WT na celu i zmniejsza aktywność poza celem w porównaniu do WT Cas9. Sniper-Cas9 może osiągnąć jeszcze wyższe współczynniki specyficzności dzięki zastosowaniu skróconych sgRNA lub dostarczania opartego na RNP, a nie dostarczania opartego na plazmidzie.