Enhanced integration of large DNA into E. coli chromosome by CRISPR/Cas9

重组工程 清脆的 Cas9 基因组编辑 同源重组 大肠杆菌 生物 基因 DNA 基因组工程 CRISPR干扰 SOS响应 遗传学 计算生物学
作者
Mu‐En Chung,Yeh I-Hsin,Li‐Yu Sung,Mengying Wu,Yun‐Peng Chao,I‐Son Ng,Yu‐Chen Hu
出处
期刊:Biotechnology and Bioengineering [Wiley]
卷期号:114 (1): 172-183 被引量:86
标识
DOI:10.1002/bit.26056
摘要

Metabolic engineering often necessitates chromosomal integration of multiple genes but integration of large genes into Escherichia coli remains difficult. CRISPR/Cas9 is an RNA-guided system which enables site-specific induction of double strand break (DSB) and programmable genome editing. Here, we hypothesized that CRISPR/Cas9-triggered DSB could enhance homologous recombination and augment integration of large DNA into E. coli chromosome. We demonstrated that CRISPR/Cas9 system was able to trigger DSB in >98% of cells, leading to subsequent cell death, and identified that mutagenic SOS response played roles in the cell survival. By optimizing experimental conditions and combining the λ-Red proteins and linear dsDNA, CRISPR/Cas9-induced DSB enabled homologous recombination of the donor DNA and replacement of lacZ gene in the MG1655 strain at efficiencies up to 99%, and allowed high fidelity, scarless integration of 2.4, 3.9, 5.4, and 7.0 kb DNA at efficiencies approaching 91%, 92%, 71%, and 61%, respectively. The CRISPR/Cas9-assisted gene integration also functioned in different E. coli strains including BL21 (DE3) and W albeit at different efficiencies. Taken together, our methodology facilitated precise integration of dsDNA as large as 7 kb into E. coli with efficiencies exceeding 60%, thus significantly ameliorating the editing efficiency and overcoming the size limit of integration using the commonly adopted recombineering approach. Biotechnol. Bioeng. 2017;114: 172-183. © 2016 Wiley Periodicals, Inc.
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