Investigating the metal-dependent function, allostery and inhibition of CRISPR-Cas9

研究 CRISPR-Cas9 的金属依赖性功能、变构和抑制

基本信息

  • 批准号:
    10592389
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 28.2万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-04-01 至 2026-03-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Abstract CRISPR-Cas9 is the core of a transformative genome editing technology that is innovating life science with cutting-edge impact in basic and applied sciences. By enabling the correction of DNA mutations, this technology promises to treat a myriad of human genetic diseases, as shown for the first cancer patients treated with CRISPR-Cas9–modified T-cells. This technology is based on the endonuclease Cas9, which associates with guide RNAs to recognize and cleave complementary DNA sequences. Ceaseless development and engineering of CRISPR-Cas9 tools has opened novel intriguing hypotheses that grant in-depth investigations of the system. Here, the PI will implement unconventional multiscale approaches, combining a variety of state-of-the-art theoretical methods, to clarify the metal-dependent catalysis, the allostery in the selectivity mechanisms, as well as the inhibition of the system. We will pursue three specific aims, characterizing: (Aim 1) the DNA cleavage dependency on alternative divalent metal ions other than Mg2+ and the conformational effects associated with their binding; (Aim 2) the allosteric modulation witnessed in newly engineered Cas9 variants with enhanced specificity; (Aim 3) the inhibition mechanism by naturally occurring anti-CRISPR proteins to implement control over gene regulation. Toward these aims, we will leverage classical and enhanced sampling molecular dynamics (MD) simulations, high-level ab-initio MD (using the Car-Parrinello and Born- Oppenheimer approaches) and mixed quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) approaches. Moreover, combination of ab-initio MD with graph theory will implement a synergistic approach capturing instantaneous sub-nanosecond signaling transfers. This will reveal how long-range allosteric effects impact the dynamics through evolving catalytic steps, elucidating the role of allostery in aiding catalysis. These multiscale approaches will offer a computational framework for the biophysical analysis of not only CRISPR-Cas9, but can also be extended to emerging CRISPR systems that are promising for genome editing and viral detection. Theoretical studies will be performed in close collaboration with experimental scientists, providing kinetic measurements and biophysical characterization, assisting in the interpretation of the experimental data and enabling testable predictions. Overall, this proposed research will expand the repertoire of mechanistic knowledge regarding the CRISPR-Cas9 function and lay the framework for novel engineering rationales toward improved genome editing.
抽象的 CRISPR-Cas9是革新生命的变革性基因组编辑技术的核心 通过实现 DNA 校正,在基础科学和应用科学领域具有前沿影响力。 突变,这项技术有望治疗多种人类遗传疾病,如第一个所示 癌症患者接受 CRISPR-Cas9 修饰的 T 细胞治疗。 核酸内切酶 Cas9,与引导 RNA 结合以识别和切割互补 DNA CRISPR-Cas9工具的不断开发和工程开启了新的领域。 有趣的假设可以对系统进行深入研究,PI 将在此实施。 非常规的多尺度方法,结合各种最先进的理论方法, 阐明金属依赖性催化、选择性机制中的变构以及抑制 我们将追求三个具体目标,其特征是:(目标 1)DNA 切割依赖性。 对除 Mg2+ 以外的替代二价金属离子的研究以及与其相关的构象效应 结合;(目标 2)新设计的 Cas9 变体具有增强的变构调节能力 特异性;(目标3)通过天然存在的抗CRISPR蛋白来实现的抑制机制 为了实现这些目标,我们将利用经典采样和增强采样。 分子动力学 (MD) 模拟、高级从头算 MD(使用 Car-Parrinello 和 Born- 奥本海默方法)和混合量子力学/分子力学(QM/MM) 此外,从头开始MD与图论的结合将实现协同作用。 捕获瞬时亚纳秒信号传输的方法这将揭示远距离传输的情况。 变构效应通过不断演变的催化步骤影响动力学,阐明变构的作用 这些多尺度方法将为生物物理提供计算框架。 不仅可以分析 CRISPR-Cas9,还可以扩展到新兴的 CRISPR 系统 有望密切进行基因组编辑和病毒检测的理论研究。 与实验科学家合作,提供动力学测量和生物物理 表征,协助解释实验数据并实现可测试 总体而言,这项研究将扩大机械知识的范围。 关于 CRISPR-Cas9 功能,并为新的工程原理奠定框架 改进的基因组编辑。

项目成果

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