Type II CRISPR-Cas System Nucleases: a Pipeline for Prediction and in vitro Characterization

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

The use of CRISPR-Cas bacterial adaptive immunity systems components for targeted DNA changing has opened broad prospects for programmable genome editing of higher organisms. The most widely used gene editor-s are based on the Cas9 effectors of the type II CRISPR-Cas systems. In complex with guide RNAs, Cas9 proteins are able to directionally introduce double-strand breaks into DNA regions complementary to guide RNA sequences. Despite the wide range of characterized Cas9s, the search for new Cas9 variants remains an actual task, since the available Cas9 editors have several limitations. This paper presents a workflow for the search and subsequent characterization of new Cas9 nucleases developed in our laboratory. Detailed protocols describing the bioinformatical search, cloning and isolation of recombinant Cas9 proteins, testing for nuclease activity in vitro, and determining the PAM sequence required for recognition of DNA targets, are presented. Potential difficulties that may arise, as well as ways to overcome them, are considered.

Sobre autores

А. Vasileva

Institute of Molecular Genetics, Russian Academy of Sciences; Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Autor responsável pela correspondência
Email: daucussativus7@gmail.com
Russia, 123182, Moscow; Russia, 195251, St. Petersburg

S. Aliukas

LLC “Biotech campus”

Email: severik@waksman.rutgers.edu
Russia, 117437, Moscow

P. Selkova

Institute of Molecular Genetics, Russian Academy of Sciences; Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: severik@waksman.rutgers.edu
Russia, 123182, Moscow; Russia, 195251, St. Petersburg

A. Arseniev

Institute of Molecular Genetics, Russian Academy of Sciences; Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: severik@waksman.rutgers.edu
Russia, 123182, Moscow; Russia, 195251, St. Petersburg

V. Chernova

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: severik@waksman.rutgers.edu
Russia, 195251, St. Petersburg

O. Musharova

Institute of Molecular Genetics, Russian Academy of Sciences

Email: severik@waksman.rutgers.edu
Russia, 123182, Moscow

E. Klimuk

Institute of Molecular Genetics, Russian Academy of Sciences

Email: severik@waksman.rutgers.edu
Russia, 123182, Moscow

M. Khodorkovskii

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: severik@waksman.rutgers.edu
Russia, 195251, St. Petersburg

K. Severinov

Institute of Molecular Genetics, Russian Academy of Sciences; Waksman Institute of Microbiology

Autor responsável pela correspondência
Email: severik@waksman.rutgers.edu
Russia, 123182, Moscow; USA, 08854 , Piscataway, NJ

Bibliografia

  1. Jansen R., van Embden J.D.A., Gaastra W., Schouls L.M. (2002) Identification of genes that are associated with DNA repeats in prokaryotes. Mol. Microbiol. 43, 1565‒1575.
  2. Barrangou R., Fremaux C., Deveau H., Richards M., Boyaval P., Moineau S., Romero D.A., Horvath P. (2007) CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes. Science. 315, 1709‒1712.
  3. Marraffini L.A., Sontheimer E.J. (2008) CRISPR interference limits horizontal gene transfer in staphylococci by targeting DNA. Science. 322, 1843‒1845.
  4. Garneau J.E., Dupuis M.-È., Villion M., Romero D.A., Barrangou R., Boyaval P., Fremaux C., Horvath P., Magadán A.H., Moineau S. (2010) The CRISPR/Cas bacterial immune system cleaves bacteriophage and plasmid DNA. Nature. 468, 67‒71.
  5. Makarova K.S., Wolf Y.I., Iranzo J., Shmakov S.A., Alkhnbashi O.S., Brouns S.J.J., Charpentier E., Cheng D., Haft D.H., Horvath P., Moineau S., Mojica F.J.M., Scott D., Shah S.A., Siksnys V., Terns M.P., Venclovas Č., White M.F., Yakunin A.F., Yan W., Zhang F., Garrett R.A., Backofen R., van der Oost J., Barrangou R., Koonin E.V. (2020) Evolutionary classification of CRISPR-Cas systems: a burst of class 2 and derived variants. Nat. Rev. Microbiol. 18, 67‒83.
  6. Cong L., Ran F.A., Cox D., Lin S., Barretto R., Habib N., Hsu P.D., Wu X., Jiang W., Marraffini L.A., Zhang F. (2013) Multiplex genome engineering using CRISPR/Cas systems. Science. 339, 819‒823.
  7. Jinek M., East A., Cheng A., Lin S., Ma E., Doudna J. (2013) RNA-programmed genome editing in human cells. Elife. 2, e00471.
  8. Mali P., Yang L., Esvelt K.M., Aach J., Guell M., DiCarlo J.E., Norville J.E., Church G.M. (2013) RNA-guided human genome engineering via Cas9. Science. 339, 823‒826.
  9. Deltcheva E., Chylinski K., Sharma C.M., Gonzales K., Chao Y., Pirzada Z.A., Eckert M.R., Vogel J., Charpentier E. (2011) CRISPR RNA maturation by trans-encoded small RNA and host factor RNase III. Nature. 471, 602–607.
  10. Shah S.A., Erdmann S., Mojica F.J.M., Garrett R.A. (2013) Protospacer recognition motifs: mixed identities and functional diversity. RNA Biol. 10, 891–899.
  11. Luscombe N.M., Laskowski R.A., Thornton J.M. (2001) Amino acid–base interactions: a three-dimensional analysis of protein–DNA interactions at an atomic level. Nucleic Acids Res. 29, 2860–2874.
  12. Chatterjee P., Lee J., Nip L., Koseki S.R.T., Tysinger E., Sontheimer E.J., Jacobson J.M., Jakimo N. (2020) A Cas9 with PAM recognition for adenine dinucleotide. Nat. Commun. 11, 2474.
  13. Wei J., Hou L., Liu J., Wang Z., Gao S., Qi T., Gao S., Sun S., Wang Y. (2022) Closely related type II-C Cas9 orthologs recognize diverse PAMs. Elife. 11, e77825.
  14. Fedorova I., Vasileva A., Selkova P., Abramova M., Arseniev A., Pobegalov G., Kazalov M., Musharova O., Goryanin I., Artamonova D., Zyubko T., Shmakov S., Artamonova T., Khodorkovskii M., Severinov K. (2020) PpCas9 from Pasteurella pneumotropica ‒ a compact type II-C Cas9 ortholog active in human cells. Nucleic Acids Res. 48, 12297–12309.
  15. Bland C., Ramsey T.L., Sabree F., Lowe M., Brown K., Kyrpides N.C., Hugenholtz P. (2007) CRISPR Recognition Tool (CRT): a tool for automatic detection of clustered regularly interspaced palindromic repeats. BMC Bioinformatics. 8, 209.
  16. Couvin D., Bernheim A., Toffano-Nioche C., Touchon M., Michalik J., Néron B., Rocha E.P.C., Vergnaud G., Gautheret D., Pourcel C. (2018) CRI-SPRCasFinder, an update of CRISRFinder, includes a portable version, enhanced performance and integrates search for Cas proteins. Nucleic Acids Res. 46, W246–W251.
  17. Edgar R.C. (2007) PILER-CR: fast and accurate identification of CRISPR repeats. BMC Bioinformatics. 8, 18.
  18. Biswas A., Staals R.H.J., Morales S.E., Fineran P.C., Brown C.M. (2016) CRISPRDetect: a flexible algorithm to define CRISPR arrays. BMC Genomics. 17, i356–i356.
  19. Mitrofanov A., Alkhnbashi O.S., Shmakov S.A., Makarova K.S., Koonin E.V., Backofen R. (2021) CRISPRidentify: identification of CRISPR arrays using machine learning approach. Nucleic Acids Res. 49, e20.
  20. Mistry J., Finn R.D., Eddy S.R., Bateman A., Punta M. (2013) Challenges in homology search: HMMER3 and convergent evolution of coiled-coil regions. Nucleic A-cids Res. 41, e121.
  21. Dooley S.K., Baken E.K., Moss W.N., Howe A., Young J.K. (2021) Identification and evolution of Cas9 tracrRNAs. CRISPR J. 4, 438–447.
  22. Mitrofanov A., Ziemann M., Alkhnbashi O.S., Hess W.R., Backofen R. (2021) CRISPRtracrRNA: robust approach for CRISPR tracrRNA detection. Bioinformatics. 38, ii42–ii48.
  23. Livny J., Waldor M.K. (2007) Identification of small RNAs in diverse bacterial species. Curr. Opin. Microbiol. 10, 96–101.
  24. Lorenz R., Bernhart S.H., zu Siederdissen C.H., Tafer H., Flamm C., Stadler P.F., Hofacker I.L. (2011) ViennaRNA Package 2.0. Algorithms Mol. Biol. 6, 26.
  25. Harrington L.B., Burstein D., Chen J.S., Paez-Espino D., Ma E., Witte I.P., Cofsky J.C., Kyrpides N.C., Banfield J.F., Doudna J.A. (2019) Programmed DNA destruction by miniature CRISPR-Cas14 enzymes. Science. 362, 839–842.
  26. Zhang Y., Heidrich N., Ampattu B.J., Gunderson C.W., Seifert H.S., Schoen C., Vogel J., Sontheimer E.J. (2013) Processing-independent CRISPR RNAs limit natural transformation in Neisseria meningitidis. Mol. Cell. 50, 488–503.
  27. Ran F.A., Cong L., Yan W.X., Scott D.A., Gootenberg J.S., Kriz A.J., Zetsche B., Shalem O., Wu X., Makarova K.S., Koonin E.V., Sharp P.A., Zhang F. (2015) In vivo genome editing using Staphylococcus aureus Cas9. Nature. 520, 186–191.
  28. Kim E., Koo T., Park S.W., Kim D., Kim K., Cho H.-Y., Song D.W., Lee K.J., Jung M.H., Kim S., Kim J.H., Kim J.H., Kim J.-S. (2017) In vivo genome editing with a small Cas9 orthologue derived from Campylobacter j-ejuni. Nat. Commun. 8, 14500.
  29. Laemmli U.K. (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. 227, 680–685.
  30. Selkova P., Vasileva A., Pobegalov G., Musharova O., Arseniev A., Kazalov M., Zyubko T., Shcheglova N., Artamonova T., Khodorkovskii M., Severinov K., Fedorova I. (2020) Position of Deltaproteobacteria Cas12e nuclease cleavage sites depends on spacer length of guide RNA. RNA Biol. 17, 1472–1479.
  31. Sun P., Tropea J.E., Waugh D.S. (2011) Enhancing the solubility of recombinant proteins in Escherichia coli by using hexahistidine-tagged maltose-binding protein as a fusion partner. Methods Mol. Biol. 705, 259–274.
  32. Esvelt K.M., Mali P., Braff J.L., Moosburner M., Yaung S.J., Church G.M. (2013) Orthogonal Cas9 proteins for RNA-guided gene regulation and editing. Nat. Methods. 10, 1116–1121.
  33. Zetsche B., Gootenberg J.S., Abudayyeh O.O., Slaymaker I.M., Makarova K.S., Essletzbichler P., Volz S.E., Joung J., van der Oost J., Regev A., Koonin E.V., Zhang F. (2015) Cpf1 is a single RNA-guided endonuclease of a class 2 CRISPR-Cas system. Cell. 163, 759–771.
  34. Crooks G.E., Hon G., Chandonia J.-M., Brenner S.E. (2004) WebLogo: a sequence logo generator. Genome Res. 14, 1188–1190.
  35. Hu Z., Wang S., Zhang C., Gao N., Li M., Wang D., Wang D., Liu D., Liu H., Ong S.-G., Wang H., Wang Y. (2020) A compact Cas9 ortholog from Staphylococcus auricularis (SauriCas9) expands the DNA targeting scope. PLoS Biol. 18, e3000686.
  36. Leenay R.T., Maksimchuk K.R., Slotkowski R.A., Agrawal R.N., Gomaa A.A., Briner A.E., Barrangou R., Beisel C.L. (2016) Identifying and visualizing functional PAM diversity across CRISPR-Cas systems. Mol. Cell. 62, 137–47.
  37. Cui Z., Tian R., Huang Z., Jin Z., Li L., Liu J., Huang Z., Xie H., Liu D., Mo H., Zhou R., Lang B., Meng B., Weng H., Hu Z. (2022) FrCas9 is a CRISPR/Cas9 system with high editing efficiency and fidelity. Nat. Commun. 13, 1425.
  38. Fedorova I., Arseniev A., Selkova P., Pobegalov G., Goryanin I., Vasileva A., Musharova O., Abramova M., Kazalov M., Zyubko T., Artamonova T., Artamonova D., Shmakov S., Khodorkovskii M., Severinov K. (2020) DNA targeting by Clostridium cellulolyticum CRISPR-Cas9 type II-C system. Nucleic Acids Res. 48, 2026–2034.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
2.

Baixar (91KB)
3.

Baixar (301KB)
4.

Baixar (598KB)
5.

Baixar (459KB)

Declaração de direitos autorais © А.А. Васильева, С.А. Алюкас, П.А. Селькова, А.Н. Арсениев, В.Е. Чернова, О.С. Мушарова, Е.И. Климук, М.А. Ходорковский, К.В. Северинов, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».