跳到正文
方法与工具Bioinformatics · 变异感知向导RNA设计工具

CRISPR-HAWK：面向 CRISPR-Cas 的单倍型与变异感知向导设计工具包

CRISPR-HAWK: Haplotype- and Variant-Aware Guide Design Toolkit for CRISPR-Cas.

一句话提出 CRISPR-HAWK，将个体及群体变异与单倍型纳入 gRNA 设计，识别参考基因组设计遗漏的差异。

研究问题

将个体及群体的遗传变异和单倍型纳入 gRNA 设计后，会发现哪些基于参考基因组的设计所遗漏的向导活性变化和候选向导？

数据与样本

分析涵盖 79,648 个基因组中的治疗靶点，并评估了 7 个治疗相关基因座，包括镰状细胞病治疗所用的 BCL11A 靶点。

分析流程

  1. 1整合遗传信息：将个体及群体尺度的变异和单倍型纳入 CRISPR-HAWK 的 gRNA 设计框架。
  2. 2评估向导性能：分析 79,648 个基因组中治疗靶点的遗传变异对向导性能的影响。
  3. 3检查临床治疗向导：识别靶向 BCL11A 的已获批准治疗向导所对应的单倍型及其预测切割活性变化。
  4. 4汇总跨基因座影响：在 7 个治疗相关基因座中评估含有靶向活性改变变异的向导比例。
  5. 5识别新增候选向导：检测变异产生的新原间隔序列邻近基序位点及相应个体特异性向导。

关键方法与工具

CRISPR-HAWK
整合变异与单倍型设计向导

设计思路

通过将变异和单倍型信息纳入向导设计，同时考察既有向导的预测活性变化与变异产生的新向导，评估参考基因组设计遗漏的信息。研究结合临床治疗向导实例和跨 7 个治疗相关基因座的分析，展示该问题在具体靶点及多个基因座中的表现。

主要发现

  • 对 79,648 个基因组的分析显示，遗传变异会显著改变向导性能。
  • 针对临床已获批准的镰状细胞病治疗所用 BCL11A 向导，识别出可使预测切割活性完全丧失的单倍型。
  • 在 7 个治疗相关基因座中，82.5% 的向导含有会改变靶向活性的变异。
  • 变异可产生新的原间隔序列邻近基序位点，形成基于参考基因组的设计无法发现的个体特异性向导。

可借鉴之处

  • 设计治疗性 gRNA 时，可借鉴本文将个体及群体变异与单倍型共同纳入评估的做法，而不只依赖参考基因组序列。
  • 候选向导评估可同时覆盖两个方向：既有向导是否因变异而改变预测活性，以及变异是否创造新的可用位点。
  • 可借鉴本文将临床治疗向导实例与多个治疗相关基因座分析相结合的方式，兼顾具体应用场景与跨靶点表现。

数据与代码

CRISPR-HAWK 可从 https://github.com/pinellolab/CRISPR-HAWK 和 https://github.com/InfOmics/CRISPR-HAWK 获取，补充数据见 Bioinformatics 在线。

局限

  • BCL11A 向导切割活性完全丧失的结果属于预测结果，不能直接等同于患者中的实际编辑效果或治疗疗效。

摘要（中文翻译）

研究动机：现有 CRISPR 向导 RNA 设计工具依赖参考基因组，忽视了遗传变异对编辑结果的影响。随着基因组编辑向临床应用推进，纳入群体多样性对于确保治疗在不同人群中的有效性至关重要。

结果：我们提出 CRISPR-HAWK，这是一个将个体及群体尺度的变异和单倍型整合到 gRNA 设计中的框架。对 79,648 个基因组中治疗靶点的分析显示，遗传变异会显著改变向导的性能。对于临床已获批准的镰状细胞病治疗中靶向 BCL11A 的向导，我们识别出可使预测切割活性完全丧失的单倍型。在 7 个治疗相关基因座中，82.5% 的向导含有会改变靶向活性的变异。变异还会产生新的原间隔序列邻近基序位点，从而生成基于参考基因组的设计无法发现的个体特异性向导。这些发现表明，考虑变异的向导选择对于实现公平的基因组编辑至关重要。

可得性：CRISPR-HAWK 可通过 https://github.com/pinellolab/CRISPR-HAWK 和 https://github.com/InfOmics/CRISPR-HAWK 获取。

补充信息：补充数据可在 Bioinformatics 在线获取。

英文原文摘要

Motivation:Current CRISPR guide RNA design tools rely on reference genomes, overlooking how genetic variation impacts editing outcomes. As genome editing advances toward clinical applications, incorporating population diversity becomes essential for ensuring therapeutic efficacy across diverse populations.

Results:We present CRISPR-HAWK, a framework integrating individual- and population-scale variants and haplotypes into gRNA design. Analyzing therapeutic targets across 79,648 genomes reveals that genetic variants substantially alter guide performance. For the clinically approved sickle cell disease therapeutic guide targeting BCL11A, we identify haplotypes that completely abolish predicted cutting activity. Across seven therapeutic loci, 82.5% of guides contain variants modifying on-target activity. Variants also create novel protospacer adjacent motif sites generating individual-specific guides invisible to reference-based design. These findings demonstrate that variant-aware selection is critical for equitable genome editing.

Availability:CRISPR-HAWK is available at https://github.com/pinellolab/CRISPR-HAWK and https://github.com/InfOmics/CRISPR-HAWK.

Supplementary information: Supplementary data are available at Bioinformatics online.

摘要来自 PubMed。翻译与解读由模型根据摘要生成，可能有误，不构成诊疗建议；数据以原文为准，版权归原出版方所有。