TOLO智库 | 耐高温BrCas12b进一步改造提升其耐热性,实现SPLENDID一步法体系!

学术   2024-07-26 16:01   上海  

今天我们学习来自Jain教授团队发表在Cell Reports Medicine上的一篇工作[1],通过向野生型BrCas12b[2]的疏水core引入突变,进而进一步提升其耐热性,其反应温度可以提升至67度,实现了高效的一步法LAMP+Cas12b反应。这篇工作也为CRISPR诊断工具箱提供了更多的工具,值得关注。
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研究内容


作者首先基于AlphaFold和SWISS-MODEL,以已解析的BthCas12b的结构为基础,成功预测了BrCas12b的结构。然后作者通过DeepDDG软件分析了不同AA残基突变后的吉布斯自由能的变化,并找出了3个最有可能的AA,即F208,L795和T874,可进行后续的进一步研究(这个思路蛮好的,包括软件和方法,可以借鉴)。当然,除了这3个外,还有一些位点也值得分析。


紧接着,作者表达纯化了35个BrCas12b的突变体(工作量不小),并且针对其中几个突变体(F208W,FND,FNPD,FNLDTA)进行了Tm值的测定,以及全部突变体的trans-cleavage活力的测定。并且,作者还发现,ALPHAFOLD预测的结果跟实际的实验结果吻合度更高,达到了60%,高于SWISS-MODEL的52%。
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作者针对FND (F208W/N524V/D868V)和RFND (R160E/FND) 两个突变体,进一步验证了其优越的稳定性和特异性,并解释了208和868两个位点能够提升稳定性的分子基础。

作者进一步测试了不同突变体在高温下的one-pot效果(RT-LAMP+Cas12b),以野生型BrCas12b为对照。结果显示,WT BrCas12b在64度以上就完全失去活性,而多个突变体都可以达到67度。另外,作者还测试了RFND突变体对PAM的依赖性,发现在不进行LAMP扩增时,该突变体还是相对依赖的,但是如果进行LAMP扩增的话,这种依赖性则会大大降低(可能是扩增时会形成部分ssDNA产物,从而不依赖于PAM位点?)

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作者最后用one-pot(SPLENDID系统)对HCV样本进行了检测,使用了简易的样本处理方法(和STOPCovid[3]流程有点像),并且利用了SPLENDID的高特异性对HCV进行了分型(GT1-3),最后证明了其高灵敏度、高特异性和高精准性。
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点评


这篇工作是Jain团队在耐高温BrCas12b蛋白鉴定的基础上,又通过对其进行突变改造,筛选获得了更耐高温的BrCas12b突变体,进而构建了高效的SPLENDID一步法快检系统。

最后的SPLENDID系统不知道有没有跟野生型BrCas12b(CRISPR-SPADE系统)在各自耐受的温度下,对灵敏度、特异性和速度进行平行比较?说不定野生型也不错了,因为能够耐受住60度以上的话,RT-LAMP的效率应该就不会差了。

这篇文章里面发现的多个突变体都可以耐受更高的温度,这样证明了这篇文章的改造思路是可行的,包括其改造逻辑和用到的工具都值得学习。大家如果对蛋白定点改造,特别是想提升目的蛋白的耐热性的话,不妨借鉴一下。





参考文献:

[1] Nguyen LT, Rananaware SR, Yang LG, Macaluso NC, Ocana-Ortiz JE, Meister KS, Pizzano BLM, Sandoval LSW, Hautamaki RC, Fang ZR, Joseph SM, Shoemaker GM, Carman DR, Chang L, Rakestraw NR, Zachary JF, Guerra S, Perez A, Jain PK. Engineering highly thermostable Cas12b via de novo structural analyses for one-pot detection of nucleic acids. Cell Rep Med. 2023 May 16;4(5):101037. doi: 10.1016/j.xcrm.2023.101037. Epub 2023 May 8. PMID: 37160120; PMCID: PMC10213852.

[2] Nguyen LT, Macaluso NC, Pizzano BLM, Cash MN, Spacek J, Karasek J, Miller MR, Lednicky JA, Dinglasan RR, Salemi M, Jain PK. A thermostable Cas12b from Brevibacillus leverages one-pot discrimination of SARS-CoV-2 variants of concern. EBioMedicine. 2022 Mar;77:103926. doi: 10.1016/j.ebiom.2022.103926. Epub 2022 Mar 13. PMID: 35290826; PMCID: PMC8917962.

[3] Joung J, Ladha A, Saito M, Kim NG, Woolley AE, Segel M, Barretto RPJ, Ranu A, Macrae RK, Faure G, Ioannidi EI, Krajeski RN, Bruneau R, Huang MW, Yu XG, Li JZ, Walker BD, Hung DT, Greninger AL, Jerome KR, Gootenberg JS, Abudayyeh OO, Zhang F. Detection of SARS-CoV-2 with SHERLOCK One-Pot Testing. N Engl J Med. 2020 Oct 8;383(15):1492-1494. doi: 10.1056/NEJMc2026172. Epub 2020 Sep 16. PMID: 32937062; PMCID: PMC7510942.

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吐露港生物科技致力于提供基于CRISPR诊断技术的生命科学整体解决方案!公司首次鉴定Cas12蛋白具备高效的ssDNA反式切割活性,并自主研发了名为HOLMES的CRISPR诊断系统。公司目前正联合行业伙伴积极推动CRISPR诊断的产业化!
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