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PAM-less plant genome editing using a CRISPR–SpRY toolbox

基因组编辑 清脆的 Cas9 基因组工程 基因组 生物 计算生物学 转录激活物样效应核酸酶 遗传学 基因
作者
Qiurong Ren,Simon Sretenovic,Shishi Liu,Xu Tang,Lan Huang,Yao He,Li Liu,Yachong Guo,Zhaohui Zhong,Guanqing Liu,Yanhao Cheng,Xuelian Zheng,Changtian Pan,Desuo Yin,Yingxiao Zhang,Wan-Feng Li,Liwang Qi,Chenghao Li,Yiping Qi,Yong Zhang
出处
期刊:Nature plants [Nature Portfolio]
卷期号:7 (1): 25-33 被引量:186
标识
DOI:10.1038/s41477-020-00827-4
摘要

The rapid development of the CRISPR–Cas9, –Cas12a and –Cas12b genome editing systems has greatly fuelled basic and translational plant research1–6. DNA targeting by these Cas nucleases is restricted by their preferred protospacer adjacent motifs (PAMs). The PAM requirement for the most popular Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9) is NGG (N = A, T, C, G)7, limiting its targeting scope to GC-rich regions. Here, we demonstrate genome editing at relaxed PAM sites in rice (a monocot) and the Dahurian larch (a coniferous tree), using an engineered SpRY Cas9 variant8. Highly efficient targeted mutagenesis can be readily achieved by SpRY at relaxed PAM sites in the Dahurian larch protoplasts and in rice transgenic lines through non-homologous end joining (NHEJ). Furthermore, an SpRY-based cytosine base editor was developed and demonstrated by directed evolution of new herbicide resistant OsALS alleles in rice. Similarly, a highly active SpRY adenine base editor was developed based on ABE8e (ref. 9) and SpRY-ABE8e was able to target relaxed PAM sites in rice plants, achieving up to 79% editing efficiency with high product purity. Thus, the SpRY toolbox breaks a PAM restriction barrier in plant genome engineering by enabling DNA editing in a PAM-less fashion. Evidence was also provided for secondary off-target effects by de novo generated single guide RNAs (sgRNAs) due to SpRY-mediated transfer DNA self-editing, which calls for more sophisticated programmes for designing highly specific sgRNAs when implementing the SpRY genome editing toolbox. An engineered SpRY Cas9 variant enables efficient gene editing without PAM requirement in rice transgenic lines and Dahurian larch protoplasts, and its derived base editors can edit the rice genome efficiently in a PAM-less fashion too.
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