Exploring and engineering PAM-diverse Streptococci Cas9 for PAM-directed bifunctional and titratable gene control in bacteria

Cas9 生物 基因 清脆的 突变 基因组编辑 计算生物学 大肠杆菌 遗传学 突变
作者
Jian Wang,Yuxi Teng,Xinyu Gong,Jianli Zhang,Yifei Wu,Lei Lou,Michelle Li,Zhong‐Ru Xie,Yajun Yan
出处
期刊:Metabolic Engineering [Elsevier]
卷期号:75: 68-77 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.ymben.2022.10.005
摘要

The RNA-guided Cas9s serve as powerful tools for programmable gene editing and regulation; their targeting scopes and efficacies, however, are always constrained by the PAM sequence stringency. Most Streptococci Cas9s, including the prototype SpCas9 from S. pyogenes, specifically recognize a canonical NGG PAM via a conserved RxR PAM-binding motif within the PAM-interaction (PI) domain. Here, SpCas9-based mining unveils three distinct and rarely presented PAM-binding motifs (QxxxR, QxQ and RxQ) among Streptococci Cas9 orthologs. With the catalytically-dead QxxxR-containing SedCas9 from S. equinus, we dissect its NAG PAM specificity and elucidate its underlying recognition mechanism via computational prediction and mutagenesis analysis. Replacing the SedCas9 PI domain with alternate PAM-binding motifs rewires its PAM specificity to NGG or NAA. Moreover, a semi-rational design with minimal mutation creates a SedCas9-NQ variant showing robust activity towards expanded NNG and NAA PAMs, based upon which we engineered a compact ω-SedCas9-NQ transcriptional regulator for PAM-directed bifunctional and titratable gene control. The ω-SedCas9-NQ mediated metabolic reprogramming of endogenous genes in Escherichia coli affords a 2.6-fold increase of 4-hydroxycoumarin production. This work reveals new Cas9 scaffolds with distinct PAM-binding motifs for PAM relaxation and creates a new PAM-diverse Cas9 variant for versatile gene control in bacteria.
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