CRISPR/Cas-Based Genome Editing for Human Gut Commensal Bacteroides Species

清脆的 拟杆菌 拟杆菌 生物 脆弱类杆菌 基因组 基因组编辑 微生物群 基因 计算生物学 Cas9 拟杆菌科 人类微生物组计划 遗传学 细菌
作者
Linggang Zheng,Yang Tan,Yucan Hu,Juntao Shen,Zepeng Qu,Xianbo Chen,Chun Loong Ho,Elaine Lai‐Han Leung,Wei Zhao,Lei Dai
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:11 (1): 464-472 被引量:36
标识
DOI:10.1021/acssynbio.1c00543
摘要

Bacteroides is the most abundant genus in the human gut microbiome and has been increasingly used as model organisms for studying the function and ecology of the gut microbiome. However, genome editing tools for such commensal gut microbes are still lacking. Here we developed a versatile, highly efficient CRISPR/Cas-based genome editing tool that allows markerless gene deletion and insertion in human gut Bacteroides species. We constructed multiple CRISPR/Cas systems in all-in-one Bacteroides-E. coli shuttle plasmids and systematically evaluated the genome editing efficiency in Bacteroides thetaiotaomicron, including the mode of Cas protein expression (constitutive, inducible), different Cas proteins (FnCas12a, SpRY, SpCas9), and sgRNAs. Using the anhydrotetracycline (aTc)-inducible CRISPR/FnCas12a system, we successfully deleted large genomic fragments up to 50 kb to study the function of metabolic gene clusters. Furthermore, we demonstrated that CRISPR/FnCas12a can be broadly applied to engineer multiple human gut Bacteroides species, including Bacteroides fragilis, Bacteroides ovatus, Bacteroides uniformis, and Bacteroides vulgatus. We envision that CRISPR/Cas-based genome editing tools for Bacteroides will greatly facilitate mechanistic studies of the gut commensal and the development of engineered live biotherapeutics.
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