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Interpreting CRISPR-Cas12a enzyme kinetics through free energy change of nucleic acids

反式激活crRNA 清脆的 生物 核酸 DNA 计算生物学 核酸酶 基因组编辑 遗传学 生物化学 基因
作者
Jiongyu Zhang,Xin–Yuan Guan,Jeong Moon,Shuo Zhang,Zhengyang Jia,Rui Yang,Chengyu Hou,Chong Guo,Minjie Pei,Changchun Liu
出处
期刊:Nucleic Acids Research [Oxford University Press]
被引量:1
标识
DOI:10.1093/nar/gkae1124
摘要

Abstract While CRISPR has revolutionized biotechnology, predicting CRISPR-Cas nuclease activity remains a challenge. Herein, through the trans-cleavage feature of CRISPR-Cas12a, we investigate the correlation between CRISPR enzyme kinetics and the free energy change of crRNA and DNA targets from their initial thermodynamic states to a presumed transition state before hybridization. By subjecting computationally designed CRISPR RNAs (crRNAs), we unravel a linear correlation between the trans-cleavage kinetics of Cas12a and the energy barrier for crRNA spacer and single-stranded DNA target unwinding. This correlation shifts to a parabolic relationship with the energy consumption required for double-stranded DNA target separation. We further validate these correlations using ∼100 randomly selected crRNA/DNA pairs from viral genomes. Through machine learning methods, we reveal the synergistic effect of free energy change of crRNA and DNA on categorizing Cas12a activity on a two-dimensional map. Furthermore, by examining other potential factors, we find that the free energy change is the predominant factor governing Cas12a kinetics. This study will not only empower sequence design for numerous applications of CRISPR-Cas12a systems, but can also extend to activity prediction for a variety of enzymatic reactions driven by nucleic acid dynamics.
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