DNA topology regulates PAM-Cas9 interaction and DNA unwinding to enable near-PAMless cleavage by thermophilic Cas9

Cas9 生物 DNA 基因组编辑 质粒 DNA超螺旋 清脆的 劈开 拓扑(电路) 细胞生物学 遗传学 分子生物学 基因 DNA复制 数学 组合数学
作者
Yajing Shi,Min Deng,Junmei Ding,Fan-Qi Wang,Lei Bi,Caixiang Zhang,Yizhou Zhang,Junyi Duan,An-Hui Huang,Xinlin Lei,Hao Yin,Ying Zhang
出处
期刊:Molecular Cell [Elsevier BV]
卷期号:82 (21): 4160-4175.e6 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.molcel.2022.09.032
摘要

CRISPR-Cas9-mediated genome editing depends on PAM recognition to initiate DNA unwinding. PAM mutations can abolish Cas9 binding and prohibit editing. Here, we identified a Cas9 from the thermophile Alicyclobacillus tengchongensis for which the PAM interaction can be robustly regulated by DNA topology. AtCas9 has a relaxed PAM of N4CNNN and N4RNNA (R = A/G) and is able to bind but not cleave targets with mutated PAMs. When PAM-mutated DNA was in underwound topology, AtCas9 exhibited enhanced binding affinity and high cleavage activity. Mechanistically, AtCas9 has a unique loop motif, which docked into the DNA major groove, and this interaction can be regulated by DNA topology. More importantly, AtCas9 showed near-PAMless editing of supercoiled plasmid in E. coli. In mammalian cells, AtCas9 exhibited broad PAM preference to edit plasmid with up to 72% efficiency and effective base editing at four endogenous loci, representing a potentially powerful tool for near-PAMless editing.
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