Highly efficient CRISPR-Cas9 base editing in Bifidobacterium with bypass of restriction modification systems

清脆的 基因组编辑 Cas9 双歧杆菌 生物 长双歧杆菌 质粒 计算生物学 遗传学 基因组 基因组 基因 细菌 乳酸菌
作者
Hung-Chun Lin,Wan‐Chi Hsiao,Ya-Chen Hsu,Meng‐Chieh Lin,Cheng‐Chih Hsu,Mingzi M. Zhang
出处
期刊:Applied and Environmental Microbiology [American Society for Microbiology]
卷期号:91 (4): e0198524-e0198524 被引量:4
标识
DOI:10.1128/aem.01985-24
摘要

ABSTRACT Intestinal microbiota members of the Bifidobacterium genus are increasingly explored as probiotics and therapeutics. However, the paucity of genetic tools and the widespread restriction modification (RM) systems in Bifidobacterium limit our ability to genetically manipulate these bacteria. Here we established a CRISPR-Cas9 cytosine base editor system (cBEST) for portable genome editing in bifidobacteria. Harboring different promoters characterized in this study, these cBEST plasmids showed a range of editing efficiencies in different strains and genomic contexts, highlighting the importance of fine-tuning base editor and sgRNA expression. Additionally, we showed that disruption or bypass of RM systems dramatically improved editing efficiencies in otherwise hard-to-edit genomic loci and Bifidobacterium strains. Notably, we demonstrated the use of RM-disrupted Bifidobacterium longum strains for simultaneous assembly, amplification, and methylation of the all-in-one editing plasmids, greatly streamlining the workflow for high-efficiency base editing. Last but not least, we showed the portability of cBESTs using the same editing construct to disrupt a conserved metabolic gene in multiple Bifidobacterium species. Looking ahead, the ability to efficiently edit and engineer bifidobacterial genomes will give rise to new opportunities for research and applications toward improving human health. IMPORTANCE The ability to genetically manipulate specific genes and biological pathways in Bifidobacterium is essential to unlocking their probiotic and therapeutic potential in human health applications. The DNA double-strand break-free CRISPR-Cas9 cytosine base editor system established in this work allows portable and efficient base editing in Bifidobacterium spp. We further showed that bypass of restriction modification systems significantly improved base editing efficiency, especially for hard-to-edit genomic loci and strains. This expanded Bifidobacterium genome editing toolbox should facilitate mechanistic investigations into the roles of Bifidobacterium in host physiology and disease.
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