Genome-wide CRISPR off-target prediction and optimization using RNA-DNA interaction fingerprints

清脆的 亚基因组mRNA 生物信息学 计算生物学 Cas9 引导RNA 基因组 基因组编辑 计算机科学 核糖核酸 DNA 生物 遗传学 基因
作者
Qinchang Chen,Guohui Chuai,Haihang Zhang,Jin Tang,Liwen Duan,Huan Guan,Wenhui Li,Wannian Li,Jiaying Wen,Erwei Zuo,Qing Zhang,Qi Liu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1): 7521-7521 被引量:77
标识
DOI:10.1038/s41467-023-42695-4
摘要

The powerful CRISPR genome editing system is hindered by its off-target effects, and existing computational tools achieved limited performance in genome-wide off-target prediction due to the lack of deep understanding of the CRISPR molecular mechanism. In this study, we propose to incorporate molecular dynamics (MD) simulations in the computational analysis of CRISPR system, and present CRISOT, an integrated tool suite containing four related modules, i.e., CRISOT-FP, CRISOT-Score, CRISOT-Spec, CRISORT-Opti for RNA-DNA molecular interaction fingerprint generation, genome-wide CRISPR off-target prediction, sgRNA specificity evaluation and sgRNA optimization of Cas9 system respectively. Our comprehensive computational and experimental tests reveal that CRISOT outperforms existing tools with extensive in silico validations and proof-of-concept experimental validations. In addition, CRISOT shows potential in accurately predicting off-target effects of the base editors and prime editors, indicating that the derived RNA-DNA molecular interaction fingerprint captures the underlying mechanisms of RNA-DNA interaction among distinct CRISPR systems. Collectively, CRISOT provides an efficient and generalizable framework for genome-wide CRISPR off-target prediction, evaluation and sgRNA optimization for improved targeting specificity in CRISPR genome editing.
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