High-fidelity KKH variant of Staphylococcus aureus Cas9 nucleases with improved base mismatch discrimination

生物 引导RNA 突变 DNA 核酸酶 遗传学 计算生物学 Cas9 核糖核酸 基因组 碱基对 突变 基因
作者
Chaya T. L. Yuen,Dawn Thean,Becky K.C. Chan,Peng Zhou,Cynthia C. S. Kwok,Hoi Yee Chu,Maggie S.H. Cheung,Bei Wang,Yee Man Chan,Silvia Y. L. Mak,Anskar Y.H. Leung,Gigi C.G. Choi,Zongli Zheng,Alan S.L. Wong
出处
期刊:Nucleic Acids Research [Oxford University Press]
卷期号:50 (3): 1650-1660 被引量:18
标识
DOI:10.1093/nar/gkab1291
摘要

The Cas9 nuclease from Staphylococcus aureus (SaCas9) holds great potential for use in gene therapy, and variants with increased fidelity have been engineered. However, we find that existing variants have not reached the greatest accuracy to discriminate base mismatches and exhibited much reduced activity when their mutations were grafted onto the KKH mutant of SaCas9 for editing an expanded set of DNA targets. We performed structure-guided combinatorial mutagenesis to re-engineer KKH-SaCas9 with enhanced accuracy. We uncover that introducing a Y239H mutation on KKH-SaCas9's REC domain substantially reduces off-target edits while retaining high on-target activity when added to a set of mutations on REC and RuvC domains that lessen its interactions with the target DNA strand. The Y239H mutation is modelled to have removed an interaction from the REC domain with the guide RNA backbone in the guide RNA-DNA heteroduplex structure. We further confirmed the greatly improved genome-wide editing accuracy and single-base mismatch discrimination of our engineered variants, named KKH-SaCas9-SAV1 and SAV2, in human cells. In addition to generating broadly useful KKH-SaCas9 variants with unprecedented accuracy, our findings demonstrate the feasibility for multi-domain combinatorial mutagenesis on SaCas9's DNA- and guide RNA- interacting residues to optimize its editing fidelity.
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