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使用高通量 FAC 筛选鉴定缺乏典型二级结构的功能性 sgRNA 突变体。

Identification of functional sgRNA mutants lacking canonical secondary structure using high-throughput FACS screening.

机构信息

Key Laboratory of Molecular Medicine and Biotherapy, Aerospace Center Hospital, School of Life Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China.

Key Laboratory of Molecular Medicine and Biotherapy, Aerospace Center Hospital, School of Life Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; Beijing Institute of Technology (Tangshan) Translational Research Center, Hebei 063611, China.

出版信息

Cell Rep. 2024 Jun 25;43(6):114290. doi: 10.1016/j.celrep.2024.114290. Epub 2024 May 31.

DOI:10.1016/j.celrep.2024.114290
PMID:38823012
Abstract

Coexpressing multiple identical single guide RNAs (sgRNAs) in CRISPR-dependent engineering triggers genetic instability and phenotype loss. To provide sgRNA derivatives for efficient DNA digestion, we design a high-throughput digestion-activity-dependent positive screening strategy and astonishingly obtain functional nonrepetitive sgRNA mutants with up to 48 out of the 61 nucleotides mutated, and these nonrepetitive mutants completely lose canonical secondary sgRNA structure in simulation. Cas9-sgRNA complexes containing these noncanonical sgRNAs maintain wild-type level of digestion activities in vivo, indicating that the Cas9 protein is compatible with or is able to adjust the secondary structure of sgRNAs. Using these noncanonical sgRNAs, we achieve multiplex genetic engineering for gene knockout and base editing in microbial cell factories. Libraries of strains with rewired metabolism are constructed, and overproducers of isobutanol or 1,3-propanediol are identified by biosensor-based fluorescence-activated cell sorting (FACS). This work sheds light on the remarkable flexibility of the secondary structure of functional sgRNA.

摘要

在 CRISPR 依赖的工程中,共表达多个相同的单指导 RNA(sgRNA)会引发遗传不稳定性和表型丧失。为了提供用于有效 DNA 切割的 sgRNA 衍生物,我们设计了一种高通量的基于消化活性的正向筛选策略,令人惊讶的是,获得了多达 48 个核苷酸突变的功能性非重复 sgRNA 突变体,这些非重复突变体在模拟中完全丧失了典型的二级 sgRNA 结构。含有这些非典型 sgRNA 的 Cas9-sgRNA 复合物在体内保持野生型的切割活性,表明 Cas9 蛋白与 sgRNA 的二级结构兼容或能够调整 sgRNA 的二级结构。使用这些非典型 sgRNA,我们实现了微生物细胞工厂中的基因敲除和碱基编辑的多重基因工程。构建了代谢重编程的菌株文库,并通过基于生物传感器的荧光激活细胞分选(FACS)鉴定出异丁醇或 1,3-丙二醇的高产菌株。这项工作揭示了功能性 sgRNA 二级结构的显著灵活性。

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