High-throughput continuous evolution of compact Cas9 variants targeting single-nucleotide-pyrimidine PAMs

定向进化 Cas9 计算生物学 清脆的 嘧啶 定向分子进化 生物 基因组编辑 核苷酸 遗传学 基因 突变体
作者
Tony P. Huang,Zachary Heins,Shannon M. Miller,Brandon G. Wong,Pallavi A. Balivada,Tina Wang,Ahmad S. Khalil,David R. Liu
出处
期刊:Nature Biotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:41 (1): 96-107 被引量:49
标识
DOI:10.1038/s41587-022-01410-2
摘要

Abstract Despite the availability of Cas9 variants with varied protospacer-adjacent motif (PAM) compatibilities, some genomic loci—especially those with pyrimidine-rich PAM sequences—remain inaccessible by high-activity Cas9 proteins. Moreover, broadening PAM sequence compatibility through engineering can increase off-target activity. With directed evolution, we generated four Cas9 variants that together enable targeting of most pyrimidine-rich PAM sequences in the human genome. Using phage-assisted noncontinuous evolution and eVOLVER-supported phage-assisted continuous evolution, we evolved Nme2Cas9, a compact Cas9 variant, into variants that recognize single-nucleotide pyrimidine-PAM sequences. We developed a general selection strategy that requires functional editing with fully specified target protospacers and PAMs. We applied this selection to evolve high-activity variants eNme2-T.1, eNme2-T.2, eNme2-C and eNme2-C.NR. Variants eNme2-T.1 and eNme2-T.2 offer access to N 4 TN PAM sequences with comparable editing efficiencies as existing variants, while eNme2-C and eNme2-C.NR offer less restrictive PAM requirements, comparable or higher activity in a variety of human cell types and lower off-target activity at N 4 CN PAM sequences.
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