Genome-wide binding of the CRISPR endonuclease Cas9 in mammalian cells

Bacterial type II CRISPR-Cas9 systems have been widely adapted for RNA-guided genome editing and transcription regulation in eukaryotic cells, yet their in vivo target specificity is poorly understood. Here we mapped genome-wide binding sites of a catalytically inactive Cas9 (dCas9) from Streptococcus pyogenes loaded with single guide RNAs (sgRNAs) in mouse embryonic stem cells (mESCs). Each of the four sgRNAs we tested targets dCas9 to between tens and thousands of genomic sites, frequently characterized by a 5-nucleotide seed region in the sgRNA and an NGG protospacer adjacent motif (PAM). Chromatin inaccessibility decreases dCas9 binding to other sites with matching seed sequences; thus 70% of off-target sites are associated with genes. Targeted sequencing of 295 dCas9 binding sites in mESCs transfected with catalytically active Cas9 identified only one site mutated above background levels. We propose a two-state model for Cas9 binding and cleavage, in which a seed match triggers binding but extensive pairing with target DNA is required for cleavage.National Institutes of Health (U.S.) (Grant RO1-GM34277)National Institutes of Health (U.S.) (Grant R01-CA133404)National Cancer Institute (U.S.) (Grant PO1-CA42063)National Cancer Institute (U.S.) (Cancer Center Support (Core) Grant P30-CA14051)National Institutes of Health (U.S.) (Director's Pioneer Award 1DP1-MH100706)Damon Runyon Cancer Research FoundationKinship Foundation. Searle Scholars ProgramSimons Foundatio

Genome-scale CRISPR-Cas9 knockout and transcriptional activation screening

Forward genetic screens are powerful tools for the unbiased discovery and functional characterization of specific genetic elements associated with a phenotype of interest. Recently, the RNA-guided endonuclease Cas9 from the microbial CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) immune system has been adapted for genome-scale screening by combining Cas9 with pooled guide RNA libraries. Here we describe a protocol for genome-scale knockout and transcriptional activation screening using the CRISPR-Cas9 system. Custom- or ready-made guide RNA libraries are constructed and packaged into lentiviral vectors for delivery into cells for screening. As each screen is unique, we provide guidelines for determining screening parameters and maintaining sufficient coverage. To validate candidate genes identified by the screen, we further describe strategies for confirming the screening phenotype, as well as genetic perturbation, through analysis of indel rate and transcriptional activation. Beginning with library design, a genome-scale screen can be completed in 9-15 weeks, followed by 4-5 weeks of validation.Paul & Daisy Soros Fellowships for New Americans (New York, N.Y.)McGovern Institute for Brain Research at MIT (Friends of McGovern Institute Fellowship)Massachusetts Institute of Technology. Poitras Center for Affective Disorders ResearchUnited States. Department of Energy (Computational Science Graduate Fellowship)National Institute of Mental Health (U.S.) (5DP1-MH100706)National Institute of Mental Health (U.S.) (1R01-MH110049)New York Stem Cell FoundationPoitras FoundationSimons FoundationPaul G. Allen Family FoundationVallee FoundationTom HarrimanB. Metcalf

Structural Differences between the Streptococcus agalactiae Housekeeping and Pilus-Specific Sortases: SrtA and SrtC1

The assembly of pili on the cell wall of Gram-positive bacteria requires transpeptidase enzymes called sortases. In Streptococcus agalactiae, the PI-1 pilus island of strain 2603V/R encodes two pilus-specific sortases (SrtC1 and SrtC2) and three pilins (GBS80, GBS52 and GBS104). Although either pilus-specific sortase is sufficient for the polymerization of the major pilin, GBS80, incorporation of the minor pilins GBS52 and GBS104 into the pilus structure requires SrtC1 and SrtC2, respectively. The S. agalactiae housekeeping sortase, SrtA, whose gene is present at a different location and does not catalyze pilus polymerization, was shown to be involved in cell wall anchoring of pilus polymers. To understand the structural basis of sortases involved in such diverse functions, we determined the crystal structures of S. agalactiae SrtC1 and SrtA. Both enzymes are made of an eight-stranded beta-barrel core with variations in their active site architecture. SrtA exhibits a catalytic triad arrangement similar to that in Streptococcus pyogenes SrtA but different from that in Staphylococcus aureus SrtA. In contrast, the SrtC1 enzyme contains an N-terminal helical domain and a ‘lid’ in its putative active site, which is similar to that seen in Streptococcus pneumoniae pilus-specific sortases, although with subtle differences in positioning and composition. To understand the effect of such differences on substrate recognition, we have also determined the crystal structure of a SrtC1 mutant, in which the conserved DP(W/F/Y) motif was replaced with the sorting signal motif of GBS80, IPNTG. By comparing the structures of WT wild type SrtA and SrtC1 and the ‘lid’ mutant of SrtC1, we propose that structural elements within the active site and the lid may be important for defining the role of specific sortase in pili biogenesis

How Do They Do It? – Understanding the Success of Marine Invasive Species

From the depths of the oceans to the shallow estuaries and wetlands of our coasts, organisms of the marine environment are teeming with unique adaptations to cope with a multitude of varying environmental conditions. With millions of years and a vast volume of water to call their home, they have become quite adept at developing specialized and unique techniques for survival and – given increasing human mediated transport – biological invasions. A growing world human population and a global economy drives the transportation of goods across the oceans and with them invasive species via ballast water and attached to ship hulls. In any given 24-hour period, there are about 10,000 species being transported across different biogeographic regions. If any of them manage to take hold and establish a range in an exotic habitat, the implications for local ecosystems can be costly. This review on marine invasions highlights trends among successful non-indigenous species (NIS), from vectors of transport to ecological and physiological plasticity. Apart from summarizing patterns of successful invasions, it discusses the implications of how successfully established NIS impact the local environment, economy and human health. Finally, it looks to the future and discusses what questions need to be addressed and what models can tell us about what the outlook on future marine invasions is

Caratterizzazione di alcuni siti della rete accelerometrica nazionale al fine di individuare la risposta sismica locale

Le indagini geotecniche finalizzate alla stima della risposta sismica locale si limitano molto spesso ai primi 30 m di profondità, valore che è diventato uno standard per la classificazione delle caratteristiche di un sito. Negli anni ’90 Borcherdt (1994) e Martin e Dobry (1994) suggerirono 30 m come la profondità standard di indagine per la verifica delle strutture. Boore et al. (1993, 1994, 1997) e Boore e Joyner (1997) basarono le regressioni per il calcolo delle leggi predittive del moto del suolo sullo stesso parametro. Nel 1997 negli Stati Uniti il National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP) nella stesura delle norme tecniche per le costruzioni in zona sismica (FEMA, 1997) utilizza per la prima volta il parametro Vs30 come indice per la classificazione dei suoli, con lo scopo di definirne l’amplificazione. Le norme tecniche per le costruzioni in zona sismica della comunità Europea, EC8 (ENV, 1998) ente da dati provenienti dagli Stati Uniti occidentali e, utilizzando dati provenienti dalla stessa regione, Wald & Mori (2000) segnalano che le VS,30 non sono molto ben correlate con l’entità dell’amplificazione, in quanto esiste una forte dispersione dei dati. La figura 1.1 mostra il rapporto tra le amplificazioni, mediate sull’intervallo di frequenza compreso tra 3-5 Hz. raccomandano lo stesso parametro per suddividere i terreni, anche se le classi differiscono in parte dalla classificazione NEHRP. Infine, anche in Italia, le Norme Tecniche per le Costruzioni (Normative Tecniche per le Costruzioni, Gazzetta Ufficiale del 14/01/2008) adottano la stessa suddivisione dei terreni adottata dall’EC8.L’attendibilità della velocità delle onde di taglio nei primi 30 m (VS,30) come estimatore della risposta sismica di un sito, in termini di frequenza e amplificazione, è tuttavia molto discussa.Innanzitutto il parametro è stato ricavato unicamente da dati provenienti dagli Stati Uniti occidentali e, utilizzando dati provenienti dalla stessa regione, Wald & Mori (2000) segnalano che le Vs30 non sono molto ben correlate con l’entità dell’amplificazione, in quanto esiste una forte dispersione dei dati. La figura 1.1 mostra il rapporto tra le amplificazioni, mediate sull’intervallo di frequenza compreso tra 3-5 Hz. I valori risultano effettivamente molto dispersi, ma questo risultato può essere spiegato col fatto che non tutte le classi di sito hanno frequenza di risonanza compreso in questo intervallo di frequenza. Perciò per alcuni siti la media è stata calcolata nell’intorno della frequenza di risonanza (sulle amplificazioni massime), mentre per altri è stata calcolata sulle armoniche superiori, che hanno ampiezze minori. Lavori eseguiti con dati provenienti da altre regioni sottolineano come le Vs30 non siano buoni estimatori per la predizione di amplificazioni in bacini profondi (Park & Hashash, 2004), per la stima delle amplificazioni in altre regioni (Stewart et al., 2003) o in presenza di inversioni di velocità (Di Giacomo et al., 2005). Uno studio recente, eseguito su dati giapponesi (Zhao et al., 2006) si è evitato l’uso della Vs30 perché strati spessi di terreno rigido posti sopra il substrato roccioso amplificano il moto di lungo periodo, mentre gli strati sottili e soffici tendono ad amplificare il moto di corto periodo: ciò significa che la VS,30 non può rappresentare il periodo predominante del sito, dato che si basa solo sugli strati superficiali. Secondo Mucciarelli e Gallipoli (2006) il confronto tra l’amplificazione sismica al sito e la Vs30 mostra che quest’ultimo parametro non è adeguato per spiegare gli effetti di sito osservati in Italia a causa delle situazioni geologiche particolari che sono diffuse nel nostro paese. La figura 1.2 mostra la distribuzione dell’ampiezza rispetto alla classe di sito, in cui si vede che le classi sono mal discriminate e le mediane delle classi A e B (indicate dalla linea nera) sono uguali. È però necessario notare che questo grafico è stato costruito utilizzando le ampiezze ricavate col metodo dei rapporti spettrali H/V, ma in letteratura (Bard, 1999) è dimostrato che tali rapporti spettrali permettono di stimare la frequenza di risonanza, ma falliscono nella stima del valore di amplificazione. In particolare la Vs30 sottostima gli effetti locali ai siti con inversione di velocità e li sovrastima in siti con bacini profondi. La Vs30 sembra fornire dei buoni risultati solo in siti che abbiano un profilo di velocità monotono, crescente con la profondità e un forte contrasto di impedenza nella prima decina di metri. Questo studio si propone di verificare l’attendibilità della velocità delle onde di taglio valutate nei primi 30 m come estimatore della risposta sismica di un sito. Per questo scopo sono state selezionate 45 stazioni della Rete Accelerometrica Nazionale, di cui si conoscono i profili stratigrafici e i profili di velocità delle onde di taglio e di compressione. Inoltre sono state raccolte le registrazioni strong motion relative ai terremoti registrati da queste stazioni. Gli effetti di sito sono stati valutati in due modi: · Le registrazioni sono state utilizzate per calcolare i rapporti spettrali H/V per ricavare la frequenza fondamentale propria di ciascun sito (f0) e il relativo valore di amplificazione; · I profili di velocità delle onde di taglio sono serviti per ricavare il modello teorico monodimensionale per il calcolo della funzione di trasferimento del sito, eseguito per mezzo del modello proposto da Haskell e Thomson (Haskell, 1953, Thomson 1950), da cui ricavare la f0 e l’amplificazione. I valori ottenuti con i due metodi sono stati poi confrontati per verificare la congruenza dei risultati. I profili di velocità hanno permesso di classificare le stazioni utilizzando la velocità media delle onde di taglio nei primi 30 m (Vs30), secondo la normativa italiana. I risultati ottenuti dalla valutazione della risposta di ciascun sito, espressi in termini di frequenza fondamentale e amplificazione, sono stati correlati con la rispettiva classe di sito per verificare l’attendibilità del parametro delle Vs30 come estimatore degli effetti di sito

Genomic evidence for the evolution of Streptococcus equi : host restriction, increased virulence, and genetic exchange with human pathogens

The continued evolution of bacterial pathogens has major implications for both human and animal disease, but the exchange of genetic material between host-restricted pathogens is rarely considered. Streptococcus equi subspecies equi (S. equi) is a host-restricted pathogen of horses that has evolved from the zoonotic pathogen Streptococcus equi subspecies zooepidemicus (S. zooepidemicus). These pathogens share approximately 80% genome sequence identity with the important human pathogen Streptococcus pyogenes. We sequenced and compared the genomes of S. equi 4047 and S. zooepidemicus H70 and screened S. equi and S. zooepidemicus strains from around the world to uncover evidence of the genetic events that have shaped the evolution of the S. equi genome and led to its emergence as a host-restricted pathogen. Our analysis provides evidence of functional loss due to mutation and deletion, coupled with pathogenic specialization through the acquisition of bacteriophage encoding a phospholipase A(2) toxin, and four superantigens, and an integrative conjugative element carrying a novel iron acquisition system with similarity to the high pathogenicity island of Yersinia pestis. We also highlight that S. equi, S. zooepidemicus, and S. pyogenes share a common phage pool that enhances cross-species pathogen evolution. We conclude that the complex interplay of functional loss, pathogenic specialization, and genetic exchange between S. equi, S. zooepidemicus, and S. pyogenes continues to influence the evolution of these important streptococci.Publisher PDFPeer reviewe