CRISPR-Cas systems are a versatile tool in genetic engineering because they can be easily reprogrammed to cut a specific chromosomal region or RNA transcript. The choice of nuclease, gRNA design, and target region all influence targeting efficiency, so the appropriate CRISPR components should be chosen depending on the desired application. This thesis examines factors that influence targeting in both DNA- and RNA-targeting CRISPR systems. Chapter 1 discusses the importance of target RNA abundance in shaping the immunity of type VI CRISPR systems. In bacteria, the Cas13 nuclease is known to degrade RNA specifically and non-specifically, leading to cell growth arrest, also known as dormancy. In this chapter, the factors that determine dormancy are investigated by targeting genome- and plasmid-encoded transcripts in E. coli. The observations are extended to a gRNA library targeting the entire coding genome and gRNA design rules are extrapolated. Finally, the role of Cas13 in defense is investigated by testing how the system behaves during viral infection or plasmid transformation. Chapter 2 also looks at the factors that characterize targeting efficiency, but focuses on the Cas12a DNA-targeting system in K. pneumoniae. The ultimate goal is to develop CRISPR antimicrobials as alternatives to antibiotics to eliminate multidrug-resistant and hypervirulent bacteria. Several nucleases are tested for antimicrobial activity, the Cas12a nuclease is selected and the same gRNAs are used against different strains to understand the robustness of the method. Rules for gRNA design are also investigated by looking at secondary structure and testing a gRNA library across several genomic regions in two different strains. This information is used to develop a machine-learning algorithm to predict gRNA activity. In addition, the CRISPR-Cas systems are also packaged in a T7-like phage with engineered tail fibers and delivered to K. pneumoniae. While Chapter 2 uncovers various factors that improve targeting efficiency, Chapter 3 aims to reduce targeting by the Cas9 and Cas12a nucleases to favor homology-directed repair for genome editing in E. coli. Targeting is slowed down so that some copies of the chromosomes remain intact, allowing the bacterium to survive and integrate the desired edit. To reduce targeting, different gRNA formats or nuclease variations are used, gRNA expression is modulated, or gRNAs with attenuated targeting are designed. Attenuated gRNAs are tested to introduce point mutations as well as whole gene deletions and substitutions, and the method is extended to Klebsiella oxytoca and Klebsiella pneumoniae, where it is applied to block transcription of an antibiotic resistance gene in the genome, restoring sensitivity to ampicillin. Overall, this work discusses how changing the CRISPR components alters the outcome of targeting and highlights strategies to achieve efficient or attenuated targeting depending on the desired application. / CRISPR-Cas-Systeme sind ein vielseitiges Werkzeug in der Gentechnik, da sie leicht umprogrammiert werden können, um eine bestimmte chromosomale Region oder ein RNA-Transkript zu schneiden. Die Wahl der Nuklease, das Design der gRNA und die Zielregion beeinflussen alle die Effizienz des Targetings, so dass die richtigen CRISPR-Komponenten je nach gewünschter Anwendung ausgewählt werden sollten. In dieser Arbeit werden die Faktoren untersucht, die das Targeting sowohl bei DNA-targeting als auch bei RNA-targeting CRISPR-Systemen beeinflussen. In Kapitel 1 wird erörtert, wie die Häufigkeit der Ziel-RNA die Immunität von Typ VI CRISPR-Systemen ausprägt. In Bakterien ist von der Cas13-Nuklease bekannt, dass sie RNA spezifisch und unspezifisch abbaut, was zu einem Stillstand des Zellwachstums führt, der auch als Dormanz bezeichnet wird. In diesem Kapitel werden die Faktoren untersucht, die Dormanz determinieren, indem genom- und plasmidkodierte Transkripte in E. coli ins Visier genommen werden. Die Beobachtungen werden auf eine gRNA-Bibliothek ausgeweitet, die auf das gesamte kodierende Genom abzielt, und es werden gRNA-Designregeln extrapoliert. Schließlich wird die Rolle von Cas13 bei der Verteidigung untersucht, indem getestet wird, wie sich das System während einer Virusinfektion oder Plasmidtransformation verhält. Kapitel 2 befasst sich ebenfalls mit den Faktoren, die die Targeteffizienz charakterisieren, konzentriert sich jedoch auf das Cas12a-DNA-Targeting-System in K. pneumoniae. Das Endziel ist die Entwicklung von CRISPR-Antimikroben als Alternative zu Antibiotika, um multiresistente und hypervirulente Bakterien zu eliminieren. Mehrere Nukleasen werden auf ihre antimikrobielle Aktivität getestet, die Cas12a-Nuklease wird ausgewählt und dieselben gRNAs werden gegen verschiedene Stämme eingesetzt, um die Robustheit der Methode zu verstehen. Außerdem werden die Regeln für das Design von gRNAs untersucht, indem die Sekundärstruktur betrachtet und eine gRNA-Bibliothek, die verschiedenen genomische Regionen in zwei verschiedenen Stämmen umfasst, getestet wird. Diese Informationen werden zur Entwicklung eines Algorithmus für maschinelles Lernen verwendet, um die gRNA-Aktivität vorherzusagen. Darüber hinaus werden die CRISPR-Cas-Systeme auch in einen T7-ähnlichen Phagen mit manipulierten Schwanzfasern verpackt und an K. pneumoniae übertragen. Während in Kapitel 2 verschiedene Faktoren aufgedeckt werden, die die Effizienz des Targetings verbessern, zielt Kapitel 3 darauf ab, das Targeting durch die Cas9- und Cas12a-Nukleasen zu reduzieren, um homology directed repair für Genom-Editierung in E. coli zu begünstigen. Das Targeting wird verlangsamt, so dass einige Kopien der Chromosomen intakt bleiben und das Bakterium überleben und die gewünschte Veränderung integrieren kann. Um das Targeting zu reduzieren, werden verschiedene gRNA-Formate oder Nuklease-Variationen verwendet, die gRNA-Expression wird moduliert, oder es werden gRNAs mit abgeschwächten Targeting entwickelt. Abgeschwächte gRNAs werden getestet, um Punktmutationen, Deletionen und Substitutionen ganzer Gene einzuführen, und die Methode wird auf Klebsiella oxytoca und Klebsiella pneumoniae ausgeweitet, wo sie zur Blockierung der Transkription eines Antibiotikaresistenzgens im Genom eingesetzt wird, um die Empfindlichkeit gegenüber Ampicillin wiederherzustellen. Insgesamt wird in dieser Arbeit erörtert, wie die Veränderung der CRISPR-Komponenten die Folgen des Targetings verändert und es werden Strategien hervorgehoben, um effizientes oder abgeschwächtes Targeting, je nach der gewünschten Anwendung, zu erreichen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:37126 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Vialetto, Elena |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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