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CRISPR-COPIES：一个用于发现 CRISPR/Cas 促进基因整合的中性整合位点的计算机平台
摘要 CRISPR/Cas 系统已成为代谢工程和人类基因治疗中基因组编辑的有力工具。然而，使用 CRISPR/Cas 系统在染色体上定位整合异源基因的最佳位点仍然是一个悬而未决的问题。选择合适的基因整合位点需要考虑多个复杂的标准，包括与 CRISPR/Cas 介导的整合、遗传稳定性和基因表达相关的因素。因此，在特定或不同的染色体位置上识别此类位点通常需要大量的表征工作。为了应对这些挑战，我们开发了 CRISPR-COPIES，一种用于识别 CRISPR/Cas 促进的整合位点的计算流程。该工具利用 ScaNN，一种基于嵌入的最近邻搜索的先进模型，可快速准确地进行脱靶搜索，并可在几分钟内识别大多数细菌和真菌基因组的全基因组基因间位点。作为概念验证，我们利用 CRISPR-COPIES 来表征三个不同物种中的中性整合位点：Saccharom y ces cere visiae、Cupria vidus necator 和 HEK293T 细胞。此外，我们还为 CRISPR-COPIES 开发了一个用户友好的网页界面（https://biof oundry.web.illinois.edu/copies/）。我们预计 CRISPR-COPIES 将成为靶向 DNA 整合的宝贵工具，并有助于表征合成生物学工具包，实现快速菌株构建以生产有价值的生化产品，并支持人类基因和细胞治疗应用。
2024 海报研讨会计划 AM.docx - MRSEC | UMN
1.Afia Abdi β-arrestin 偏向神经降压素受体 1 调节剂对多巴胺受体 D2 β-arrestin 的影响 招募顾问：Lauren Slosky 赞助计划：LSSURP 所在机构：明尼苏达大学，双子城 摘要：由于精神兴奋剂使用障碍对公共健康的影响不断升级，开发有效的药物疗法仍然是一个关键的未满足需求。神经降压素受体 1 (NTSR1) 是一种 G 蛋白偶联受体 (GPCR)，在调节大脑中的多巴胺能信号通路方面不可或缺，使其成为这些疾病的有希望的治疗靶点。作为 GPCR，NTSR1 介导与 G 蛋白和 β-arrestin 的相互作用。针对 NTSR1 的平衡肽激动剂已在临床前成瘾模型中显示出潜在功效。尽管如此，它们在临床应用方面的进展受到诸如低血压、体温过低和运动障碍等不利靶向效应的阻碍。因此，我们最近开发了 β-arrestin 偏向的 NTSR1 配体，例如化合物 SBI-553，它选择性地减弱与甲基苯丙胺和可卡因诱导的运动活动相关的精神兴奋剂相关行为。尽管有这些有希望的发现，但其作用的潜在机制仍未完全了解。该项目旨在确定 NTSR1 共表达和激活对 D2 受体信号传导的影响，以阐明 SBI-553 消除靶向副作用的机制。利用 HEK293T 细胞、磷酸钙转染和生物发光共振能量转移 (BRET) 检测，我们希望帮助确定 SBI-553 最大限度减少不良反应的分子机制。这项研究可以为开发更有效、更安全的精神兴奋剂使用障碍药物疗法铺平道路。
针对视力丧失的等位基因特异性基因编辑方法......
摘要 突变型 RHO 是常染色体显性视网膜色素变性 (adRP) 最常见的遗传原因。在此，我们开发了一种等位基因特异性基因编辑治疗药物，以选择性地靶向人类 T17M RHO 突变型等位基因，同时首次保持野生型 RHO 等位基因完好无损。我们鉴定出一种金黄色葡萄球菌 Cas9 (SaCas9) 引导 RNA，它对人类 T17M RHO 等位基因具有高活性和特异性。使用 HEK293T 细胞和患者特异性诱导多能干细胞 (iPSC) 进行的体外实验显示出活性核酸酶活性和高特异性。将单个腺相关病毒血清型 2/8 包装的 SaCas9 和单个引导 RNA (sgRNA) 视网膜下递送到 RHO 人源化小鼠的视网膜下，表明这种治疗药物选择性地靶向突变型等位基因，从而下调突变型 RHO mRNA 表达。施用这种治疗药物可使杂合突变人源化小鼠的视网膜功能长期（治疗后长达 11 个月）改善，并保存光感受器。我们的研究表明，体内治疗效果具有剂量依赖性。在全基因组测序水平上未观察到不良的脱靶效应。我们的研究为进一步开发这种有效的治疗药物来治疗 RHO - T17M 相关 adRP 提供了强有力的支持，也为开发基因编辑医学提供了一个可推广的框架。此外，我们成功恢复了患有 RHO 人源化小鼠的视力，验证了基于等位基因特异性 CRISPR/Cas9 的药物对其他常染色体显性遗传视网膜营养不良的可行性。
具有PAM灵活性的工程精选编辑
为了将PE2变体的活性与野生型PE2的活性进行比较，我们设计了PEGRNA，它可以针对35个基因组基因座NGN PAM。PEGRNA建议使用引物结合位点（PBS）和RT模板（13 NT PBS和11〜14 NT RT模板）的长度，并经过随机设计以在目标基因组基因座中安装插入，缺失和取代。我们使用单链DNA组装方法8（补充注释1）更有效地构造了PegrNA。使用这些PEGRNA，我们检查了HEK293T细胞中六种PE2变体和野生型PE2的主要编辑活性（图1A-C和补充表1）。正如预期的那样，野生型PE2主要在NGG PAM站点（在9个站点中的7个活性，在UBE3A-3+5G> C位点上活跃，高达23.8％，在NGA PAM站点上有一定的认可（在9个地点的4个地点，最高22.9％的ATC and cut）和公共ng> c> c> c> c> c> c> c> c> c> c> c> c> c> c> （在8个站点中的0个中活跃）或NGT位点（在9个站点中的0个位置活跃）。相反，PE2-NG，PE2-SPG和PE2-SPRY变体可以编辑NGN位点（PE2-NG：在34个站点中的24个，PE2-SPG中有效，PE2-SPG：在35个站点中的26个站点中活跃，PE2-SPRY，PE2-SPRY：活动中的24个站点中的24个站点中的24个站点）。与先前的研究6，PE2-NG变体相比，NGC PAM位点的活性相对较低，与NGD相比（其中D是A，G或T）PAM位点，并且与其他PE2变体相比，PE2-SPG变体在NGH处显示出最高的活性（其中H是A，C，C，T）PEAM位点（其中PE2）在其他PE2变体中（Fige2 variant）（FIGINIANT（FIGINIANT）（FIGINIANT（FIGINING）（FIGINIANT（FIGINID）（FIGINIANT（FIGINID）（FIGINIANT（FIGINID）（FIGINIANT（FIGINID）（图。1C和补充图1）。
携带神经发育疾病相关 GluN2B(L825V) 变异的小鼠的表征
N-甲基-D-天冬氨酸受体 (NMDAR) 由 GRIN 基因编码，是一种离子型谷氨酸受体，在突触传递、可塑性和突触发育中起着关键作用。基因组序列分析已确定神经发育障碍患者的 GRIN 基因存在变异，但其潜在发病机制尚不明确。在此，我们创建并评估了一种携带错义变体 Grin2b L825V 的转基因小鼠系，该小鼠系对应于在智力障碍 (ID) 和自闭症谱系障碍 (ASD) 患者中发现的编码 GluN2B(L825V) 的新生 GRIN2B 变体。我们使用表达重组受体的 HEK293T 细胞和由杂合 Grin2b L825V/+ (L825V/+) 和野生型 (WT) Grin2b +/+ (+/+) 雄性和雌性小鼠制备的原代海马神经元来评估该变异的功能影响。与 +/+ 小鼠相比，L825V/+ 神经元的全细胞 NMDAR 电流降低。NMDAR 介导的诱发兴奋性突触后电流 (NMDAR-eEPSC) 的峰值幅度保持不变，但 L825V/+ 神经元中的 NMDAR-eEPSC 与 +/+ 神经元相比失活速度更快，并且对 GluN2B 选择性拮抗剂艾芬地尔的敏感性较低。总之，这些结果表明 GluN2B 亚基对 L825V/+ 小鼠海马神经元突触 NMDAR 电流的功能贡献降低。对 GluN2B(L825V) 亚基表面表达和突触定位的分析表明，与 WT GluN2B 相比，没有差异。对两种性别小鼠的行为测试表明，L825V/+ 品系小鼠表现出活动减少、焦虑和感觉运动门控受损，尤其是雄性小鼠，以及认知症状。杂合 L825V/+ 小鼠提供了 GRIN2B 相关 ID/ASD 的临床相关模型，我们的结果表明突触水平的功能变化可能导致神经发育病理学。
抑制素-2 在疾病中的作用
抑制素 (PHB) 是一类保守的蛋白质，主要位于线粒体内膜和细胞核中，具有多种生物学功能。PHB 包括 PHB1 (32 kDa) 和 PHB2 (37 kDa)，是包含口素和浮素的超家族成员 [1]。PHB 主要以具有玫瑰花结结构的聚合物形式存在，直径为 20–25 nm [2,3]。据推测，PHB 调节细胞周期、衰老和肿瘤抑制，同时特异性地抑制 DNA 合成的起始 [4]。PHB1 抑制几种类固醇激素受体的信号传导 [5-7]，而 PHB2 选择性地抑制雌激素受体 (ER) 活性 [8]。 PHB2 参与重要的细胞过程，包括细胞存活、凋亡、代谢、炎症、基因转录和信号转导 [9,10]。已发现秀丽隐杆线虫和小鼠的 PHB 缺失会导致胚胎死亡 [11,12]。为了进一步阐明 PHB2 在生理和病理生理过程中的作用，已经建立了几种组织特异性 PHB2 敲除小鼠模型。例如，前脑特异性 PHB2 缺陷小鼠表现出 tau 过度磷酸化和神经退行性[13]，肾足细胞中 PHB2 的缺失导致肾小球硬化[14]，肝细胞特异性 PHB2 敲除小鼠表现出肝功能衰竭和糖异生受损[15]，β 细胞特异性 PHB2 敲除导致 β 细胞功能受损和糖尿病[16]。心脏特异性 PHB2 敲除小鼠会出现心力衰竭并死亡[8]。结果表明正常器官功能需要 PHB2。PHB1 或 PHB2 中的任何一个的敲低都会导致另一个的敲低，从而造成 PHB“超复合物”表达降低。例如，在前脑或 HEK293T 细胞中，其组装伙伴 PHB1 的有效丧失伴随 PHB2 的耗竭 [ 13 , 14 ]，这突显了 PHB 亚基在某些组织中的功能相互依赖性。
使用 CRISPR 阵列分离器增强 Cas12a 多基因调控
图 1. crRNA 性能受上游间隔物的 GC 含量影响 (A) CRISPR-Cas12a 操纵子由 Cas 基因和一个 CRISPR 阵列组成。(B) 每个 crRNA 由一个重复序列和一个间隔物组成。预处理重复序列包含一个 ~16-18-nt 片段，此处称为 CRISPR 分隔符，该片段由 Cas12a 和一种未知酶切除。(C) 在哺乳动物细胞中表达 Cas12a 阵列时，之前已省略了分隔符。我们想了解分隔符是否有助于使 crRNA 免受间隔物中二级结构的负面影响。(D) 我们设计了由两个 crRNA 组成的 CRISPR 阵列，第一个具有非靶向无义间隔物，第二个靶向 GFP 启动子，该启动子在 HEK293T 细胞中基因组整合。(E) 实验设置；分析 GFP 荧光作为阵列性能的衡量标准。 (F) CRISPR 阵列可以显示出对无义间隔物的组成的超敏感性。在极端情况下，将最后一个核苷酸从 T 替换为 G 可能导致 GFP 激活几乎完全终止。(G) 51 个 CRISPR 阵列的文库，其中第一个 crRNA 包含一个具有不同 GC 含量的无义间隔物，第二个 crRNA 靶向 GFP。无义间隔物的 GC 含量与 GFP 荧光之间存在强烈的负相关性。每个点代表 51 个 CRISPR 阵列中的一个（三个重复）。根据阵列启用的 GFP 荧光水平将阵列分为三组。框表示在 I 和 J 中分析的两组。(HJ) 对于每个组，计算了滑动 5-nt 窗口的平均 GC 含量。性能最佳的阵列是无义间隔物在其 3' 端恰好具有低 GC 含量的阵列。一些阵列因其无义间隔物的 GC 含量 ( G ) 而显示出意外的高或低 GFP 活性。这些阵列在其无义间隔物的 3' 端含有低 ( I ) 或高 ( J ) GC 含量，这表明最后几个碱基的 GC 含量是阵列性能的重要预测因素。HJ 中的阴影区域表示标准误差。( K ) 了解无义 crRNA 中 3-nt 区域 GC 含量的预测能力 (方法)。( L ) 显示预测的二级结构 (-Δ(最小自由能)) 和 51 个无义间隔物的 GC 含量之间关系的图。
通过 Cas13d- 调节代谢功能...
体内 RNA 敲低在疾病建模和治疗方面具有巨大潜力。尽管 CRISPR/Cas9 介导的永久性敲除靶基因的方法层出不穷，但针对 RNA 进行破坏的策略在治疗获得性代谢疾病（当不适合永久性修改基因组 DNA 时）和 RNA 病毒感染疾病（当没有致病 DNA 时，例如 SARS-Cov-2 和 MERS 感染）方面具有优势。最近，RNA 靶向 CRISPR 效应物 Cas13d 家族已被证明能够在体外实现对哺乳动物细胞中细胞 RNA 的强效下调（Konermann 等人，2018 年）。在各种 Cas13d 亚型中，CasRx（RfxCas13d）在 HEK293T 细胞中表现出最强的 RNA 敲低效率（Konermann 等人，2018 年）。然而，Cas13d 的 RNA 靶向活性仍需在体内进行验证。在本研究中，CasRx 系统被证明可以在小鼠肝细胞中有效且功能性地敲低与代谢功能相关的基因，包括 Pten 、 Pc- sk9 和 lncLstr 。CasRx 介导的多个基因同时敲低也可以通过 sgRNA 阵列实现，这为调节复杂的代谢网络提供了一种有用的策略。此外，AAV（腺相关病毒）介导的 CasRx 和 Pcsk9 sgRNA 递送到小鼠肝脏中成功降低了血清 PCSK9，从而显着降低血清胆固醇水平。重要的是，CasRx 介导的 Pcsk9 敲低是可逆的，并且 Pcsk9 可以反复下调，这为可逆地调节代谢基因提供了一种有效的策略。本研究提供了一个成功的概念验证试验，表明有效和调控性地敲低目标代谢基因，以实现肝脏中的设计代谢调节。代谢调节基因的靶向抑制通常用于建模和开发代谢疾病的治疗方法（Moller，2012 年）。近年来，使用各种调节剂实现了许多代谢调节策略，包括许多小分子化合物、核酸和治疗性多肽/蛋白质，靶向单个或多个特定分子产物，如酶、循环蛋白、细胞表面受体和细胞 RNA（Moller，2012 年）。代谢调控的应用
通过诱导seq
图2：与替代性DSB测序技术相比，诱导seq表现出无与伦比的灵敏度和动态范围。（a）诱导seq同时检测高度复发的诱导DSB和低级内源性DSB，并以高分辨率。基因组浏览器视图（IgV）诱导seq读取映射到HEK293T细胞的10MB部分，随后与限制性核酸内核酸内切酶Hindiii进行原位裂解。（顶部面板）高度复发性酶诱导的断裂表示在低分辨率（10MB，0-1000读物）时的绝大多数读数。（底部面板）高分辨率视图（粉红色的亮点，500kb，0-20读取）显示出未处理样品中存在的低水平的单源性断裂，以及在复发性印度诱导的突破（绿色亮点）中。（b）诱导seq读取的映射在Hindiii目标位点显示了断裂两侧的单核苷酸断裂映射的精度。（c）对经过治疗和对照样品的每个细胞测量的断裂定量。诱导seq在样品之间的3个数量级上定量检测到每个细胞的断裂。（d和e）通过酶Hindiii和ecorv检测体外裂解限制位点时诱导seq和dsbapture之间的比较。（d）使用诱导seq映射到测序和对齐基因组的读取和对齐基因组的比例更大。（e）使用少800倍的细胞，诱导seq鉴定了与DSBCAPTURE确定的ECORV（93.7％）相似的Hindiii限制位点（92.7％）。（f）使用诱导seq的诱导DSB检测的动态范围。除了在印度内目标序列（AAGCTT）上鉴定出的断裂外，还确定了多个1BP和2BP不匹配靶向位点。诱导seq测得的诱导的休息事件，跨越了8个数量级，从在印度内靶标地点确定的约1.5亿次断裂到最少频繁的脱离目标的5个断裂。（g）在检测ASISI诱导的活细胞中诱导的疾病，DSBCAPTURE和BLISS之间的比较。将测序的读取数（顶部面板）与每个实验（底部面板）识别的ASISI位点的数量进行了比较。诱导seq使用比DSBCAPTUE少的40倍读数检测到最大数量的ASISI位点，而读取的读数比Bliss少23倍。
使用CRISPR Prime编辑
使用CRISPR Prime编辑Steven Erwood 1,2，Teija M.I.的饱和变体解释。bily 2，†，Jason Lequyer 1,3，†，Joyce Yan 2，Nitya Gulati 1,2，Reid A.Brewer 2,4，Liangchi Zhou 2，Laurence Pelletier 1,3，Evgueni A. Ivakine 2,4，*，Ronald D. Cohn 1,2,4,5 1。加拿大多伦多多伦多大学分子遗传学系2.遗传学和基因组生物学计划，加拿大安大略省多伦多的病儿童研究所医院3.Lunenfeld-Tanenbaum研究所，加拿大安大略省多伦多山医院4.加拿大多伦多多伦多大学生理学系5。多伦多大学儿科和生病儿童医院，加拿大多伦多的医院†这些作者在过去十年中向Zhenya.ivakine@sickkids.ca摘要贡献了同样的贡献，在过去的十年中，下一代测序在临床实践中已广泛实施。 然而，由于经常确定具有不确定意义的遗传变异（VU），因此对这种变体的缩放功能解释的需求变得越来越明显。 一种解决此问题的方法是饱和基因组编辑（SGE），它允许对单核苷酸变体进行缩放的多重功能评估。 但是，SGE的当前应用依赖于同源指导的维修（HDR）引入感兴趣的变体，这受到较低的编辑效率和低产品纯度的限制。 此外，我们设计了一种基因组编辑策略，该策略允许基因基因座的单倍体化，该策略允许几乎任何细胞类型中的孤立变体解释。多伦多大学儿科和生病儿童医院，加拿大多伦多的医院†这些作者在过去十年中向Zhenya.ivakine@sickkids.ca摘要贡献了同样的贡献，在过去的十年中，下一代测序在临床实践中已广泛实施。然而，由于经常确定具有不确定意义的遗传变异（VU），因此对这种变体的缩放功能解释的需求变得越来越明显。一种解决此问题的方法是饱和基因组编辑（SGE），它允许对单核苷酸变体进行缩放的多重功能评估。但是，SGE的当前应用依赖于同源指导的维修（HDR）引入感兴趣的变体，这受到较低的编辑效率和低产品纯度的限制。此外，我们设计了一种基因组编辑策略，该策略允许基因基因座的单倍体化，该策略允许几乎任何细胞类型中的孤立变体解释。在这里，我们对SGE进行了改编的CRISPR质量编辑，并证明了其在理解溶酶体储存障碍尼曼 - 佩克病C1（NPC）的NPC1基因中变体的功能意义的实用性。通过将饱和素编辑（SPE）与临床相关的测定相结合，我们在NPC1单倍体HEK293T细胞中的功能评分和解释了256种变体。为了进一步证明该策略的适用性，我们使用SPE和细胞模型单倍体化在BRCA2基因中的功能上为465个变体分数。我们预计我们的工作将可以翻译成具有适当的细胞测定法的任何基因，从而可以更快，准确地诊断，改善遗传咨询，并最终确切地精确的患者护理。引言精度或个性化药物必然是基于对人群中发现的遗传变异的强烈理解。因此，人类疾病基因中发现的VU的优势是实现