Rational Engineering of CRISPR-Cas9 Nuclease to Attenuate Position-Dependent Off-Target Effects

Cas9 清脆的 核酸酶 基因组编辑 引导RNA 计算生物学 DNA 合理设计 基因 生物 蛋白质工程 核糖核酸 细胞生物学 遗传学 生物化学
作者
Zhicheng Zuo,Kesavan Babu,Chhandosee Ganguly,Ashwini Zolekar,Sydney Newsom,Rakhi Rajan,Yu-Chieh Wang,Jin Liu
出处
期刊:The CRISPR journal [Mary Ann Liebert]
卷期号:5 (2): 329-340 被引量:10
标识
DOI:10.1089/crispr.2021.0076
摘要

The RNA-guided Cas9 nuclease from Streptococcus pyogenes has become an important gene-editing tool. However, its intrinsic off-target activity is a major challenge for biomedical applications. Distinct from some reported engineering strategies that specifically target a single domain, we rationally introduced multiple amino acid substitutions across multiple domains in the enzyme to create potential high-fidelity variants, considering the Cas9 specificity is synergistically determined by various domains. We also exploited our previously derived atomic model of activated Cas9 complex structure for guiding new modifications. This approach has led to the identification of the HSC1.2 Cas9 variant with enhanced specificity for DNA cleavage. While the enhanced specificity associated with the HSC1.2 variant appeared to be position-dependent in the in vitro cleavage assays, the frequency of off-target DNA editing with this Cas9 variant is much less than that of the wild-type Cas9 in human cells. The potential mechanisms causing the observed position-dependent effect were investigated through molecular dynamics simulation. Our discoveries establish a solid foundation for leveraging structural and dynamic information to develop Cas9-like enzymes with high specificity in gene editing.
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