New design strategies for ultra-specific CRISPR-Cas13a-based RNA detection with single-nucleotide mismatch sensitivity

清脆的 生物 计算生物学 核糖核酸 灵敏度(控制系统) 核苷酸 遗传学 基因 电子工程 工程类
作者
Adrian M. Molina Vargas,Souvik Sinha,Raven M Osborn,Pablo Arantes,Amun C. Patel,Stephen Dewhurst,Dwight J. Hardy,Andrew Cameron,Giulia Palermo,Mitchell R. O’Connell
出处
期刊:Nucleic Acids Research [Oxford University Press]
被引量:2
标识
DOI:10.1093/nar/gkad1132
摘要

Abstract An increasingly pressing need for clinical diagnostics has required the development of novel nucleic acid-based detection technologies that are sensitive, fast, and inexpensive, and that can be deployed at point-of-care. Recently, the RNA-guided ribonuclease CRISPR-Cas13 has been successfully harnessed for such purposes. However, developing assays for detection of genetic variability, for example single-nucleotide polymorphisms, is still challenging and previously described design strategies are not always generalizable. Here, we expanded our characterization of LbuCas13a RNA-detection specificity by performing a combination of experimental RNA mismatch tolerance profiling, molecular dynamics simulations, protein, and crRNA engineering. We found certain positions in the crRNA-target–RNA duplex that are particularly sensitive to mismatches and establish the effect of RNA concentration in mismatch tolerance. Additionally, we determined that shortening the crRNA spacer or modifying the direct repeat of the crRNA leads to stricter specificities. Furthermore, we harnessed our understanding of LbuCas13a allosteric activation pathways through molecular dynamics and structure-guided engineering to develop novel Cas13a variants that display increased sensitivities to single-nucleotide mismatches. We deployed these Cas13a variants and crRNA design strategies to achieve superior discrimination of SARS-CoV-2 strains compared to wild-type LbuCas13a. Together, our work provides new design criteria and Cas13a variants to use in future easier-to-implement Cas13-based RNA detection applications.
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