Direct Visualization of Single-Nucleotide Variation in mtDNA Using a

Aug 20, 2018 - Taking advantage of the high specificity of CRISPR/Cas9, CasPLA can ... Our results establish CasPLA as a tool to study SNV in situ in ...
0 downloads 0 Views 530KB Size
Subscriber access provided by UNIV OF NEW ENGLAND ARMIDALE

Article

Direct Visualization of Single-Nucleotide Variation in mtDNA using a CRISPR/Cas9-Mediated Proximity Ligation Assay (CasPLA Kaixiang Zhang, Ruijie Deng, Xucong Teng, Yue Li, Yupeng Sun, Xiaojun Ren, and Jinghong Li J. Am. Chem. Soc., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/jacs.8b05309 • Publication Date (Web): 20 Aug 2018 Downloaded from http://pubs.acs.org on August 20, 2018

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Journal of the American Chemical Society

Direct Visualization of Single-Nucleotide Variation in mtDNA using a CRISPR/Cas9-Mediated Proximity Ligation Assay (CasPLA) Kaixiang Zhang, Ruijie Deng, Xucong Teng, Yue Li, Yupeng Sun, Xiaojun Ren, Jinghong Li*  Department of Chemistry, Key Laboratory of Bioorganic Phosphorus Chemistry & Chemical Biology, Beijing Key  Laboratory for Microanalytical Methods and Instrumentation, Tsinghua University, Beijing 100084, China.    ABSTRACT: The accumulation of mitochondrial DNA (mtDNA) mutations in cells is strongly related to aging‐associated  diseases. Imaging of single‐nucleotide variation (SNV) in mtDNA is crucial for understanding the heteroplasmy of mtDNAs  that harbor pathogenic changes. Herein, we designed a CRISPR/Cas9‐mediated proximity ligation assay (CasPLA) for direct  visualization  of  the  ND4  and  ND5  genes  in  the  mtDNAs  of  single  cells.  Taking  advantage  of  the  high  specificity  of  CRISPR/Cas9, CasPLA can be used to image SNV in the ND4 gene at single‐molecule resolution. Using CasPLA, we observed  a mtDNA transferring process between different cells through a tunneling nanotube, which may account for the spreading  of mtDNA heteroplasmy. Moreover, we demonstrated that CasPLA strategy can be applied for imaging of single copy ge‐ nomic loci (KRAS gene) in nuclear genome. Our results establish CasPLA as a tool to study SNV in situ in single cells for  basic research and genetic diagnosis. 

INTRODUCTION Mitochondrial  DNA  (mtDNA)  encodes  multiple  tRNAs,  rRNAs and proteins necessary  for  oxidative phosphoryla‐ tion,  which  generates  energy  in  eukaryotic  cells.1‐4.  Each  eukaryotic cell holds hundreds of mitochondria and each  mitochondrion  contains  multiple  mtDNA‐protein  com‐ plexes known as nucleoids 3,5. Since mtDNA suffers from a  high mutation rate and has a limited repair capacity, cells  often  contain  mtDNAs  with  different  genotypes,  a  phe‐ nomenon  termed  heteroplasmy  6,7.  The  heteroplasmy  of  mtDNA, which arises in somatic tissues and accumulates  throughout life, is thought to contribute to diseases of ag‐ ing,  including  neurodegeneration,  metabolic  disorders,  cancer,  heart  disease  and  sarcopenia  8‐11.  Therefore,  the  ability  to  visualize  single‐nucleotide  variation  (SNV)  in  mtDNA in single cells is important for resolving the com‐ plexity and heterogeneity of diseases related to mutations  in mtDNA 12.    Conventional  mtDNA  imaging  methods  include  fluo‐ rescence  in  situ  hybridization  (FISH)  and  target‐primed  rolling‐circle amplification (tpRCA)  13‐17. However, both of  these  methods  require  denaturation  or  digestion  of  mtDNA, which leads to lower detection efficiency and af‐ fects the structural and organizational integrity of the mi‐ tochondrial genome (Table S3) 18,19. Recently, the clustered  regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)‐ associated protein 9 (Cas9) system, a revolutionary tool for  genome editing, has been utilized to visualize genomic lo‐ cus in cells without global DNA denaturation 20‐22. However,  the existing Cas9‐based imaging methods are mostly appli‐ cable for highly repetitive genomic loci, such as telomeres, 

major satellites or the MUC4 gene.23‐26 Imaging of non‐re‐ petitive loci requires a minimum of 4 separate sgRNAs and  advanced  imaging  technology  (such  as  lattice  light  sheet  microscopy, LLSM) to achieve sufficient signal  27‐30. As far  as  we  know,  imaging  of  SNV  remains  as  an  unmet  chal‐ lenge  for  Cas9  based  imaging  method,  since  single  Cas9  binding event cannot provide a sufficient signal to distin‐ guish the target molecule from background.   To address this challenge, we designed a CRISPR/Cas9‐ mediated proximity ligation assay (CasPLA) to image SNV  in mtDNA at single‐molecule resolution. This method uses  two Cas9 probes to target a specific mtDNA sequence, fol‐ lowed by proximity ligation and in situ rolling circle ampli‐ fication (RCA) to reveal the spatial localization of individ‐ ual wild‐type and mutated mtDNAs in single cells.   The  mechanism  of  CasPLA  is  shown  in  Scheme  1.  Cas9/sgRNA probes, consisting of a Cas9 enzyme molecule  bound to a sgRNA molecule, efficiently identify and bind  to  the  target  mtDNA  by  CRISPR‐based  programmable  recognition31. The sgRNA sequence includes a spacer of 20  nucleotides (nt), which is complementary to the target se‐ quence (termed the protospacer) in mtDNA. The target se‐ quence must be near a NGG sequence termed protospacer‐ adjacent motif (PAM). Cas9 recognizes the PAM and facil‐ itates  complementary  base  pairing  between  the  sgRNA  spacer and the protospacer. Base pairing is sensitive to the  presence of a mutation, so the Cas9/sgRNA probe can dis‐ tinguish SNVs when binding to the mtDNA. For each tar‐ get  sequence,  a  pair  of  Cas9/sgRNA  probes,  termed  the  CasPLA probe, are specifically designed, which recognize  sequences that are nearby in the genome. When the paired  CasPLA probes bind in close proximity to each other, they 

ACS Paragon Plus Environment

Journal of the American Chemical Society 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 2 of 10

Scheme 1.  Schematic diagram of CRISPR/Cas9‐mediated proximity ligation (CasPLA) for in situ imaging of single‐nucleotide  variation (SNV) in mitochondrial DNAs (mtDNAs).   Step 1: Pairs of in vitro assembled Cas9/sgRNA probes specifically bind to the mutant (MUT; red) mtDNA. Each pair consists of  two probes. One probe has an sgRNA spacer that is complementary to the mutant (red) target sequence. The other probe (blue)  binds to a sequence nearby and facilitates proximity ligation. Step 2: Hybridization of the proximity probes to the Cas9/sgRNA  probes, followed by proximity ligation to form a circular DNA structure. Step 3: Rolling circle amplification (RCA) is initiated  by Phi29 DNA polymerase from the ligated circular DNA to generate a long RCA product, which is then visualized through  hybridization of fluorescence‐labeled oligonucleotides.   can then guide the subsequently added linear oligonucleo‐ tides to form a circular structure, which can be covalently  joined by enzymatic DNA ligation. The circularized DNA  is amplified through RCA, and the in situ‐synthesized RCA  product then hybridizes with fluorescently labeled probes,  which  enable  the  amplified  product  to  be  distinguished  from background. Since RCA is a localized isothermal am‐ plification, it can provide information about the localiza‐ tion of target mtDNAs with single‐molecule resolution  32‐ 34 .  In  previous  Cas9‐based  in  situ  imaging  studies  (CasFISH), imaging of non‐repetitive loci required synthe‐ sis  of  73  unique  sgRNAs  to achieve  a  sufficient  signal‐to‐ noise ratio for spot detection. 20 Herein, using CasPLA, we  can  successfully  visualize  individual  mtDNAs  using  only  two  sgRNAs.  Taking  advantage  of  the  high  specificity  of  CRISPR/Cas9,  CasPLA  can  be  used  to  image  SNV  in  mtDNA at single‐molecule resolution. 

may remain bound to the cleaved site after the cleavage re‐ action. Therefore, we reason that wild‐type Cas9 proteins  may be sufficient to assemble the CasPLA probes for in situ  imaging.  

RESULTS AND DISCUSSION Development of CasPLA for detection of mtDNA. To  construct the sgRNA within the CasPLA probe, we added a  proximity  probe  binding  site  to  the  stem‐loop  of  the  sgRNA to recruit the DNA proximity probe (Scheme 1). We  first tested the activity of the modified sgRNA and found  that  the  added  stem‐loop  did  not  affect  the  binding  or  cleavage  activity  of  the  Cas9/sgRNA  complex  (Figure  S1),  which  is  consistent  with  a  previous  report23.  It  has  also  been demonstrated that the Cas9/sgRNA complex does not  dissociate from the cleaved DNA, except under extremely  harsh  conditions  35,36,  which  indicates  that  Cas9/sgRNA 

Figure 1. CasPLA for detection of mtDNA. a) Schematic di‐ agram of CasPLA for the detection of mtDNAs using the poly‐ merase  chain  reaction  (PCR).  The  proximity  probes  are  hy‐ bridized  to  the  stem‐loop  structure  of  the  sgRNA.  A  short  strand of DNA (the bridge oligo) hybridizes with both of the  proximity probes to create a double‐stranded segment which  can be joined by DNA ligase. The resultant ligated DNA is then  detected  by  standard  qPCR  methods.  b)  Real‐time  fluores‐ cence intensity of qPCR reactions in the presence of increasing 

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Journal of the American Chemical Society

amounts  of  purified mtDNA.  c)  Linear relationship  between  ΔCt and the  mtDNA  concentration.  Error bars are based on  triplicate experiments. 

To test this possibility, we first used a PCR‐based prox‐ imity ligation assay to detect a purified mtDNA sequence  (Figure  1a)  37,38.  Briefly,  a  110  nt‐long  single‐strand  DNA  (ssDNA) was separated into two 55 nt‐long ssDNAs which  were attached to CasPLA probes made with a commercially  available Cas9 enzyme. Then, a short (20 nt) bridge oligo  was added to hybridize to the two ssDNA strands (Figure  1a), thus creating a short stretch of dsDNA, which enabled  DNA  ligase  to join the  two fragments  to form  the 110 nt‐ long  DNA  strand.  The  DNA  produced  in  this  way  was  quantified with high sensitivity by qPCR. According to the  real‐time  fluorescence  intensity  of  qPCR  (Figure  1b)  and  the linear relationship between ΔCt and the mtDNA con‐ centration (Figure 1c), a strong dose‐dependent signal was  observed, suggesting that the target mtDNA sequence was  driving  proximity  ligation  and  the  enzymatically  active  Cas9 nuclease can be used for CasPLA.  CasPLA for in situ imaging of mtDNA in single cells.  To investigate whether the CasPLA process can be used for  in situ mtDNA imaging, a pair of CasPLA probes were de‐ signed to target the 13703G site of the ND5 gene in MCF‐7  cells. The ND5 (NADH dehydrogenase 5) gene encodes a  subunit  of  NADH  dehydrogenase,  which  plays  an  im‐ portant role in the electron transport chain for generation  of ATP (the location of the ND5 gene in mtDNA is shown  in Diagram S1). Mutations of the ND5 gene are related with  distant  metastasis  of  colon  cancer  39  and  reduced  mito‐ chondrial Ca2+ transients 40. As shown in Figure 2, the green  fluorescent signals from the RCA amplicons were predom‐ inantly present in the cytoplasm. The number of amplicons  was 231.7/cell, which is around 25% of total mtDNA accord‐ ing to the estimated mtDNA copy number,  41 and the de‐ tection efficiency is around 2.5 times higher than tpRCA.14  

CasPLA  probe  resulted  in  no  obvious  signal,  which  con‐ firms the requirement for binding of both probes. We also  compared CasPLA pairs in which the two probes were sep‐ arated by 10 nt or 195 nt. As shown in Figure 2, no obvious  signal  was  observed  when  the  probes  were  195  nt  apart,  while  the  10  nt  pair  gave  a  strong  signal,  suggesting  that  CasPLA requires adjacent binding of the two probes. The  influence of Cas9 probe orientation was also tested (Figure  S3). In agreement with theoretical assumptions concerning  the distance between the ends of the probes, the head‐to‐ head probe configuration resulted in a stronger signal than  the  head‐to‐tail  configuration,  and  the  tail‐to‐tail  probe  configuration gave no obvious signal. Recently, dCas9 pro‐ tein becomes commercial available, and we also performed  direct  comparison  between  Cas9  protein  and  dCas9  pro‐ tein for mtDNA imaging (Figure S4). By counting the aver‐ age  amplicons/cell,  we  found  that,  comparing  with  Cas9  protein,  dCas9  showed  around  1.2‐fold  increase  in  detec‐ tion  efficiency.  We  think  it’s  because  the  dCas9  protein  without cleavage activity may stay more firmly binding to  the target dsDNA.  CasPLA for in situ imaging of SNV in mtDNA. After  verifying that CasPLA can be used for mtDNA imaging, we  then explored the potential of CasPLA for SNV detection.  Specifically,  6  sgRNAs  were  synthesized  by  in  vitro  tran‐ scription (Figure 3a). One contained the wild‐type spacer  sequence from the ND5 gene and 5 had SNVs at different  positions  relative  to  the  PAM.  The  specificity  of  the  sgR‐ NAs  was analyzed by in  vitro cleavage  assay  with  a PCR‐ amplified mtDNA sequence (Figure 3b), followed by PCR‐ based  CasPLA  test.    As  shown  in  Figure  3c,  3d,  the  ΔCt  value was highly related to the distance between mismatch  site and PAM sequence, indicating that PCR‐based CasPLA  strategy may serve as a new way for analyzing SNV in vitro. 

Figure 2. CasPLA for in situ imaging of mtDNA in MCF‐7 cells.  To ascertain that the CasPLA reaction depends on proximity  binding of both probes, two pairs of CasPLA probes were de‐ signed  and  used  for mtDNA  imaging.  The distance  between  the probes in the first pair was 10 nt and the distance between  the probes in the second pair was 195 nt. The cell nuclei are  shown in blue (DAPI), and the RCA amplicons appear as green  spots (Alexa Flour 488). Scale bar represents 25 μm. 

To ascertain that the CasPLA reaction depends on sim‐ ultaneous binding of both probes, we replaced one CasPLA  probe  at  a  time  with  the  corresponding  concentration  of  free oligonucleotide. Figure S2 shows that omission of one 

ACS Paragon Plus Environment

Journal of the American Chemical Society 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 4 of 10

NADH dehydrogenase and the C12084T mutation has been  demonstrated to induce mitochondrial respiration defects  and  overproduction  of  reactive  oxygen  species  (ROS)  which may account for the ability of tumor cells to develop  metastatic potential  10. The sequence data available in the  GenBank  databases  identified  that  the  MDA‐MB‐231  cell  line (high metastatic potential) had the C12084T mutation  (AB626609),  while  the  MCF‐7  cell  line  did  not  have  the  mutation (AB626610). MDA‐MB‐231 and MCF‐7 cells have  completely different morphologies, which allow them to be  easily  distinguished  from  each  other.  MDA‐MB‐231  cells  are spindle‐shaped and relatively small in size, while MCF‐ 7 cells aggregate and are relatively large in size.  

Figure  3.  CasPLA  for  imaging  of  SNV  in  mtDNA.  a)  The  sgRNA target sequences used in the experiment. Red rectan‐ gles represent single‐nucleotide changes. b) Gel electrophore‐ sis to analyze the recognition and cleavage activity of different  sgRNAs. The substrate is a PCR‐amplified mtDNA sequence (3  kb) which is cleaved by Cas9 to give two products of 1.7 kb and  1.3 kb. c), d)  qPCR analysis  of  the  efficiency  of CasPLA  with  different sgRNAs. e) In situ imaging of mtDNA in MCF‐7 cells  using CasPLA with sgRNAs with or without SNVs. The cell nu‐ clei are shown in blue, and the RCA amplicons appear as green  spots.  Frequency  histograms  of  RCA  amplicons  per  cell  are  shown to the right of the fluorescence images (50 cells were  analyzed for each experiment). 

According to the in vitro data, the efficiency of CasPLA  was much lower when the SNV was near the PAM sequence,  suggesting it is possible to image SNVs using CasPLA. To  test this possibility, three pairs of CasPLA probes were de‐ signed to cover the same sequence of the ND5 gene (Figure  3e).  In  one  pair,  the  sgRNA  was  designed  to  match  the  wild‐type sequence, while the other two contained SNVs at  different positions. The in situ imaging data are shown in  Figure 3e. With the wild‐type sgRNA, 208.3 RCA amplicons  were detected per cell, and this was reduced dramatically  to  0.3/cell  when  the  sgRNA  contained  a  SNV  3  nt  away  from  the  PAM.  When  the  SNV  was  10  nt  away  from  the  PAM, there were around 71.1 RCA amplicons per cell, which  is evidence of non‐specific amplification. According to the  results,  CasPLA  can  recognize  SNV  in  mtDNA  near  the  PAM sequence, which can be utilized for SNV imaging.  To  use  CasPLA  for  practical  in  situ  mtDNA  mutation  analysis, we designed a pair of CasPLA probes to genotype  the mitochondrial  C12084T mutation in  the ND4 gene in  MDA‐MB‐231  cell.  The  ND4  gene  encodes  a  subunit  of 

Figure  4.  In  situ  imaging  of  the  A11002G  point  mutation  in  mtDNA  in  MCF‐7  and  MDA‐MB‐231  cells.  A  pair  of  CasPLA  probes  were  designed  to  image  the  mutated  11002G  site  of  mtDNA in separately cultured and mixed MCF‐7 and MDA‐ MB‐231 cells. The cell nuclei are shown in blue and the RCA  amplicons appear as red spots. Frequency histograms of RCA  amplicons per cell are shown to the right of the fluorescence  images (50 cells were analyzed for each experiment). 

Therefore, we first applied the CasPLA probes to geno‐ type the C12084T point mutation in the MCF‐7 and MDA‐ MB‐231 cells. The separately cultured and mixed cells were  fixed  on  glass  slides  and  then  treated  with  the  CasPLA  probes, followed by proximity ligation and RCA. The RCA  products were detected by hybridization of two fluorescent  oligonucleotide  probes  (green  for  wild‐type  mtDNA,  red  for  mutated  mtDNA).  Surprisingly,  when  we  performed  the  imaging  experiment  to  detect  the  mutated  mtDNA  (12084T) in MDA‐MB‐231 cells, no obvious signal was ob‐ served (Figure S5). But, when we used wild‐type probes to  detect  12084C  in  mtDNA,  392.4  and  262.1  amplicons  per  cell  were  found  in  MCF‐7  and  MDA‐MB‐231,  respectively  (Figure  S6).  The  in  situ  imaging  data  indicated  that  the  MCF‐7 and MDA‐MB‐231 cells used in this experiment only  contained  wild‐type  mtDNAs,  which  is  inconsistent  with  the  GenBank  databases.  To  verify  this  result,  we  isolated  the mtDNAs from both cell lines for sequencing. As shown  in Figure S7, the sequencing result indicates that neither of  the  cells  contained  the  C12084T  mutation,  which  is  con‐ sistent  with  the  CasPLA  imaging  data  but  not  with  the  GenBank  database.  This  result  further  illustrates  that  mtDNA mutation is highly complex and that methods to 

ACS Paragon Plus Environment

Page 5 of 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Journal of the American Chemical Society

visualize  mtDNA  mutations  in  situ  in  single  cells  are  of  high importance.   By analyzing sequencing data, we identified a new point  mutation,  A11002G,  in  MDA‐MB‐231  cells  (Figure  S8).  A11002G  was  also  located  in  the  ND4  gene  (Diagram  S1).  This mutation does not appear to have been studied previ‐ ously. We designed a new pair of CasPLA probes to image  the A11002G mutation and the imaging data are shown in  Figure  4.  The  single‐nucleotide  difference  between  the  mtDNAs in the two cell lines was clearly visualized, with  MDA‐MB‐231  cells  showing  predominantly  red  signals  (203.6  per  cell)  and  the  MCF‐7  cells  showing  no  obvious  signal (3.1 per cell), consistent with the sequencing result.  Moreover, the cell lines could clearly be distinguished from  each other in the mixed cell culture experiment. Interest‐ ingly,  we  noticed  an  obvious  intercellular  mtDNA  transport phenomenon between cells in the co‐culture ex‐ periment (Figure S9). MtDNA was clearly in a transferring  process in a tunneling nanotube, which is a structure that  facilitates selective transfer of membrane vesicles and or‐ ganelles  between  cells,  which  can  be  an  important  cause  for the spreading of mtDNA heteroplasmy 42. The applica‐ tion  of  CasPLA  for  SNV  imaging  has  some  limitations  in  choosing target sites. Considering the availability of appro‐ priate paired CRISPR target sites, Streptococcus pyogenes  Cas9 (SpCas9) needs NGG and CCN in proximity for Cas‐ PLA imaging. However, there are some other CRISPR en‐ zymes such as Staphylococcus aureus Cas9 or Cpf1 devel‐ oped as alternative for SpCas9, which can offer additional  target  sites  on  the  genome43.  Moreover,  a  mutagenesis  screen  process  has  been  used  to  increase  the  targeting  range of Cpf1, and the structural basis for the altered PAM  recognition by engineered CRISPR‐Cpf1 has been studied44.  We think that, in near future, the CRISPR system will not  be  restricted  to  conventional  NGG  PAM  sequence,  and  more  potential  target  will  be  available  for  CasPLA  based  analysis.  Simultaneous  imaging  of  wild‐type  and  mutated  mtDNA for studying mtDNA heteroplasmy. To explore  the possibility of using CasPLA for simultaneous detection  of sequence variants, we performed an imaging experiment  with  CasPLA probes  to detect  the wild‐type  (A) and  mu‐ tant (G) sequences at position 11002 in mtDNA. Specifically,  MCF‐7 cells and MDA‐MB‐231 cells were co‐cultured for 2  days and three probes were used in the experiment. One  was  specific  for  the  wild‐type  sequence,  one  was  specific  for the mutant sequence, and one was able to pair with ei‐ ther  of  the  other  two  to  create  two  distinct  circularized  DNAs for RCA (Figure 5a). RCA from the wild‐type probe  gave a green signal, while RCA from the mutant probe gave  a red signal (Figure 5b). In the simultaneous imaging ex‐ periment,  the  number  of  amplicons  per  cell  was  signifi‐ cantly  decreased  comparing  to  the  imaging  performed  with a single pair of probes (Figure 4). It is because the two  SNV recognition probes (Green and Red in Figure 5a) were  designed to pair with the same locating probe (Blue in Fig‐ ure 5a)  32, and the backbone probes were with same bind‐ ing region, which will interfere the probe binding and de‐ crease the detection efficiency. Specifically, for MCF‐7, the 

average numbers of green and red amplicons are 47.9/cell  and  8.21/cell,  respectively.  For  MDA‐MB‐231,  the  average  numbers  of  green  and  red  amplicons  are  16.5/cell  and  25.6/cell, respectively. By plotting the number of red and  green amplicons per cell, mtDNA heteroplasmy was clear  in  the  cell  co‐culture  experiment  (Figure  5c,  5d),  which  may because of the mtDNA transferring process.  

Figure 5. Simultaneous imaging of wild‐type (A) and mutant  (G)  mtDNAs  at  position  11002  in  MCF‐7  and  MDA‐MB‐231  cells. a) Detailed mechanism of CasPLA for simultaneous de‐ tection of wild‐type and mutated mtDNA. Three probes were  used in the experiment, colored blue, green and red in the fig‐ ure. The blue probe can pair with either of the other two to  create two distinct circularized DNAs for the rolling circle am‐ plification. b) Fluorescence imaging of mtDNA in MCF‐7 and  MDA‐MB‐231 cells by CasPLA. The green spots represent RCA  amplicons hybridized with Alexa488‐labeled detection probes,  and the red spots represent RCA amplicons hybridized with  Cy5‐labeled detection probes. c) The number of red and green  amplicons  in  each  individual  MCF‐7  and  MDA‐MB‐231  cell.  The  cell  types  were  distinguished  by  their  morphologies.  d)  Quantification of the average number of red and green ampli‐ cons per cell in MCF‐7 and MDA‐MB‐231 cells (50 cells were  analyzed for each experiment). 

CasPLA imaging on a tissue section. Identification of  somatic mtDNA alterations is important for genetic diag‐ nosis45. However, conventional methods, such as sequenc‐ ing of bulk tissue samples, cannot accurately determine the  spatial distribution of mutated mtDNA and may ignore the  small portion of mutated ones in the majority of wild‐type  mtDNAs46. Since CasPLA has been proved for imaging of  SNV  in  mtDNA  at  single‐cell  level,  we  further  tested  whether CasPLA can be applied for mtDNA analysis in tis‐ sue section. Specifically, we bought a formalin‐fixed paraf‐ fin‐embedded MCF‐7 xenograft tumor tissue sections from  Servicebio and proceeded with the CasPLA assay to detect  the A>G SNV at 11002 in mtDNA. As shown in Figure 6, the  wild‐type  CasPLA  probe  penetrated  the  tumor  sections  and efficiently labeled their targets (green), while the mu‐ tant  CasPLA  probe  showed  no  obvious  signal  (red).  This 

ACS Paragon Plus Environment

Journal of the American Chemical Society 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

indicates that the mtDNA in the tissue section mainly has  the wild‐type sequence (A) at position 11002. We also iso‐ lated  mtDNA  from  the  tissue  section  and  sequenced  the  gene to  confirm  that the  mtDNAs  were mainly  wild‐type  (Figure S11). When both CasPLA probes were used, the de‐ tection  efficiency  was  decreased,  most  likely  due  to  the  backbone probe design, as discussed above. Nevertheless,  many green fluorescent signals were detected in the simul‐ taneous  imaging  experiment  and  no  obvious  red  fluores‐ cent signals were observed. These results suggest that Cas‐ PLA  is  a  powerful  tool  for  visualizing  SNV  in  mtDNA  in  primary tissue sections for genetic diagnosis applications. 

Figure  6.  CasPLA  imaging  of  mtDNA  at  position  11002  in  a  xenograft  tumor  tissue  section.  Two  pairs  of CasPLA  probes  (for wild‐type and mutated mtDNA) were designed and used  for mtDNA imaging in the tissue section. The cell nuclei are  shown in blue and the RCA amplicons appear as green (wild‐ type, A) and red (mutant, G) spots. The xenograft tumor tissue  section were expected to contain only the wild‐type target se‐ quence. Scale bar: 200 μm. 

CasPLA for imaging  single copy  loci  in nuclear ge‐ nome.  Variations in nuclear genome are important indi‐ cators for a number of disease47. Since nuclear genome is  packing with histones in a highly condensed nucleosome  structure, it’s still challenging to analysis genetic alteration  inside  chromatin48.  Considering  Cas9  probes  can  effi‐ ciently bind to dsDNA in cell nuclei, we further hypothesis  that CasPLA may serve as a strategy for in situ imaging of  single copy genomic loci in nuclear genome  As a proof of concept, we chose KRAS gene as a model  system.  KRAS  gene,  which  encodes  a  small  G‐protein  downstream of EGFR, can acquire activating mutations in  exon  2  and  isolate  the  pathway  from  the  effect  of  EGFR,  which make the EGFR inhibitors ineffective49. KRAS gene  is mutated in approximately 40% of metastatic colorectal  cancer and the most frequent mutations occurring at co‐ dons 12 and13 (G13D) (GCT GGT G G/A C GTA GGC)50. To  image KRAS gene in situ in single cells, two pairs of CasPLA  probes  were  designed  to  target  wild‐type  and  mutated 

Page 6 of 10

KRAS gene at the G13D codon, which only has single‐nu‐ cleotide  difference  in  the  sgRNA  recognition  sequence  (GTA GTT GGA GCT GGT G G/A C GT). Since KRAS is a  single copy gene located on homo sapiens chromosome 12  and  each  cell  nuclei  have  one  pair  of  autosomes,  we  ex‐ pected  to  see  2  signals  per  cell.  Specifically,  MCF‐7  cells  were treated with no CasPLA probes/ CasPLA probes tar‐ geting wild‐type KRAS gene/ CasPLA probes targeting mu‐ tated KRAS gene, followed by proximity ligation and RCA.  Imaging data are shown in Figure 7 and Figure S12. Using  CasPLA  probe  to  target  wild‐type  KRAS  gene,  approxi‐ mately 40% of cells showed expected 2 signals per cell, and  around 50% cells showed 1 signal per cell. In contrast, the  CasPLA probes targeting mutated KRAS gene generated no  obvious fluorescent signal. According to the data, CasPLA  can be applied for imaging KRAS gene in nuclear genome  with high specificity and around 60% detection efficiency.  

  Figure 7. CasPLA for imaging KRAS gene in nuclear genome.  CasPLA probes were designed for targeting wild‐type and mu‐ tated KRAS gene with only single‐nucleotide variation (GCT  GGT G G/A C GTA GGC). The DNA amplicons were stained  with  AF488  probes  (Green)  and  DNA  nuclear  were  stained  with DAPI (Blue). RCA amplicons were marked by white ar‐ row. 50 cells were counted in each experiment. Scale bar: 20  μm. 

CONCLUSION Imaging of non‐repetitive genomic loci with Cas9‐based  methods relies on strategically‐designed signal amplifica‐ tion. In previous technologies, multiple Cas9 probes were  used to generate adequate fluorescent signals for imaging.  This  is problematic  for  biological  applications due  to  the  challenges of delivering multiple sgRNAs into cells and the  increased off‐targeting by the large number of sgRNAs  27.  In  this study,  we show that  by  incorporating a  proximity  ligation strategy, CasPLA provides strong and discrete flu‐ orescent signals for mtDNA imaging using only two sgR‐ NAs, which allows in situ SNV imaging in single cells.   Comparing  with  previous  DNA  imaging  methods,  Cas‐ PLA  presents  some  advanced  features  (Table  S3).  First,  CasPLA takes advantage of the CRISPR‐based mechanism  for rapid and specific DNA hybridization. This enzymatic  probe is much more efficient than the nucleic acid probes 

ACS Paragon Plus Environment

Page 7 of 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Journal of the American Chemical Society

used in FISH and tpRCA. Therefore, CasPLA is able to de‐ tect dsDNA without DNA denaturation with significantly  higher  detection  efficiency.  Second,  using  two  probes  binding  close  to  each  other  to  initiate  proximity  ligation  and RCA, CasPLA achieves increased specificity due to the  necessary of two sequences in the correct spacing and ori‐ entation. The fluorescent signals from RCA amplicons are  strong and discrete, allowing the study of mtDNA distribu‐ tion in single cells at single‐molecule resolution. Third, the  CRISPR/Cas9 system recognizes target sequences with sin‐ gle‐nucleotide specificity. Binding of the sgRNA spacer se‐ quence  to  its  target  is  sensitive  to  single  nucleotide  changes.  Therefore,  CasPLA  can  be  utilized  for  detection  and imaging of subtle DNA variations, such as SNVs. We  have  demonstrated  that  mtDNAs  with  a  point  mutation  can  be  clearly  distinguished  from  the  wild‐type  mtDNAs  by CasPLA imaging. Fourth, the mild conditions of CasPLA  can  better  preserve  cell  morphology  and  DNA  structure,  and thus CasPLA can potentially be used to visualize the  interaction  of  proteins  or  lncRNA  with  specific  DNA  se‐ quences.  Moreover,  CasPLA  is  applicable  for  tissue  sec‐ tions  mtDNA  imaging  and  even  nuclear  genome  single  copy loci imaging, thus offering potential for basic research  and genetic diagnosis. Future development of CasPLA will  be aimed at live‐cell imaging with a compatible signal am‐ plification  method,  such  as  the  hybridization  chain  reac‐ tion  (HCR)51,52,  and  further  improving  the  specificity  and  efficiency. We expect that the CasPLA imaging method will  serve as an important tool for direct visualization of SNVs  in genomic loci with high spatiotemporal resolution in sin‐ gle cells. 

MATERIALS AND METHODs Materials  and  apparatus.  All  oligonucleotide  se‐ quences  in  Table  S1  and  Table  S2  were  purchased  from  Shanghai  Sangon  Biological  Engineering  Technology  &  Services Co., Ltd (Shanghai, China). Cas9 Nuclease, S. py‐ ogenes (1,000 nM), EnGen® Spy dCas9 protein, HiScribeTM  T7  Quick  High  Yield  RNA  Synthesis  Kit  and  dNTP  Mix  were purchased from NEB (New England Biolabs, Ipswich,  MA, USA). T4 DNA ligase, T4 polynucleotide kinase, Phi29  DNA polymerase and RiboLock RNase Inhibitor were pur‐ chased from Life Technologies (Carlsbad, CA, USA). A CFX  96 real‐time PCR detection system (Bio‐Rad) was used for  qPCR. A NanoDrop 2000 UV‐Vis Spectrophotometer was  used to measure nucleic acid concentration. Leica TCS SP5  laser  scanning  confocal  microscope  was  used  for  fluores‐ cent imaging.  sgRNA synthesis. The sgRNAs were synthesized in vitro  from DNA templates using T7 RNA polymerase. The tem‐ plate DNA was synthesized by PCR reaction using different  primers and the produced sgRNAs were purified by Trizol.  Primers  used  in  this  work  are  listed  in  Table  S1.  The  se‐ quence  of  modified  sgRNA1:  5’‐  NNN  NNN  NNN  NNN  NNN  NNN  NNG  UUU  AAG  AGC  UAU  GCU  GGA  (AAA  AAG AAA AAU GCA AGU GGA AUA CCA AAA AGA AAA  A)AA CAG CAU AGC AAG UUU AAA UAA GGC UAG UCC  GUU AUC AAC UUG AAA AAG UGG CAC CGA GUC GGU  GCU  UUU  UUU  CUU  ‐3’.  The  sequence  of  modified 

sgRNA2: 5’‐ NNN NNN NNN NNN NNN NNN NNG UUU  AAG AGC UAU GCU GGA (AAA AAG AAA AAC CUG CUC  UAG CAA UGA AAA AGA AAA A)AA CAG CAU AGC AAG  UUU AAA UAA GGC UAG UCC GUU AUC AAC UUG AAA  AAG UGG CAC CGA GUC GGU GCU UUU UUU CUU ‐3’.  Cell culture and tumor section preparation. MCF‐7  and  MDA‐MB‐231  cells  were  cultured  in  DMEM  supple‐ mented with 10% FBS and 1% penicillin/streptomycin at 37  o C in a humidified atmosphere with 5% CO2. The xenograft  tumor  tissue  FFPE  (formalin‐fixed  paraffin‐embedded)  section was purchased from Servicebio and deparaffinized  using established protocols (Weibrecht et al., 2013).  PCR‐based CasPLA assay. A PCR‐based CasPLA assay  was first used to verify the applicability of CasPLA probes.  Specifically,  500  pM  of  paired  CasPLA  probes  were  first  suspended in Cas9 reaction buffer [20 mM HEPES, 100 mM  NaCl,  5  mM  MgCl2,  0.1  mM  EDTA,  pH=6.5].  Target  DNA  with  different  concentrations  was  then  added  and  incu‐ bated at 37  oC for 40 min. The reaction mix was added to  pre‐made ligation mix [40 mM Tris‐HCl, 10 mM MgCl2, 10  mM DTT, 0.5 mM ATP, 0.025 U/μL T4 DNA ligase, 100 nM  bridge oligo, pH=7.5] and then incubated for 15 min at 30  oC. 25 μL of the ligation mix was then added to 25μL 2x PCR  Master Mix with 10 nM PLA‐PCR primers and amplified by  PCR (95 oC for 10 min, 60 oC for 30 s, 95 oC for 15 s, 13 cycles).  The PCR reaction was then diluted 1:20 in ddH2O. 8.5 μL of  the diluted PCR samples were added to 10 μL 2x qPCR Mas‐ ter Mix with 1.5 μL PLA‐PCR primer. qPCR was performed  with a Bio‐Rad CFX96 with standard thermocycling.  CasPLA  for  mtDNA  imaging.  Unless  indicated,  the  standard CasPLA protocol is as follows: Cells cultured on  collagen‐coated glass were fixed at ‐20  oC for 20 min in a  pre‐chilled solution of methanol and acetic acid at a 1:1 ra‐ tio. Samples were washed 3 times (5 min each time) with  PBS  with  gentle  shaking,  followed  by  incubation  for  2  hours at 37  oC in blocking/reaction buffer [20 mM HEPES  (pH 6.5), 100 mM NaCl, 5 mM MgCl2, 0.1 mM EDTA, 1 mM  freshly  added  DTT,  250  μg/ml  BSA,  25  μg/ml  sonicated  salmon  sperm  DNA,  0.05%  Tween  20].  To  assemble  Cas‐ PLA probes, Cas9 protein (20 nM) was mixed with sgRNA  at a molar ratio of 1:4 in blocking/reaction buffer and was  incubated at room temperature for 10 min. The PLA‐RCA  probes 1 and 2 were then added to the reaction mix with a  final  concentration  of  200  nM.  The  assembled  CasPLA  probes were applied to pre‐blocked cells and incubated for  1 hour at 37 oC. The reaction was terminated by removal of  the  CasPLA  probe  solution  and  washing  3  times  with  blocking/reaction buffer for 5 min each. To ensure optimal  conditions for the ligation reaction, the cells were soaked  for 5 min in ligation buffer, prior to addition of the ligation  mix [100 nM PLA‐RCA backbone, 100 nM PLA‐RCA insert,  40 mM Tris‐HCl, 10 mM MgCl2, 10 mM DTT, 0.5 mM ATP,  0.05 U/μL T4 DNA ligase]. The ligation reaction was con‐ ducted at 37 oC for 2 hours. After circularization, the sam‐ ples were washed 3 times with blocking/reaction buffer to  remove  excess  oligonucleotides.  The  RCA  reaction  was  then performed by adding RCA mix [33 mM Tris‐acetate,  10 mM Mg‐acetate, 66 mM K‐acetate, 0.1%(v/v) Tween‐20,  1 mM DTT, 10 μM dNTPs, 0.1 U/μL Phi 29 DNA polymerase]  and incubating for 2 hours at 37 oC. The cells were washed 

ACS Paragon Plus Environment

Journal of the American Chemical Society 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

three times with blocking/reaction buffer for 5 min each,  then 10 nM detection probe was added and incubated for  30 min at 37 oC. From this step onwards, the slide was kept  in the dark. The samples were washed three times with PBS  and  the  nuclei  were  stained  with  DAPI.  The  slides  were  mounted  with  mounting  media  and  pictures  were  taken  with a confocal microscope.  CasPLA for nuclear genome imaging.  Cells cultured  on collagen‐coated glass were fixed at ‐20  oC for 10 min in  a pre‐chilled solution of methanol and acetic acid at a 3:1  ratio. The fixation procedure was repeated two times. The  fixed cells were treated with 0.01% pepsin in 0.1 M HCl for  90 s at 37 oC, followed by washes in PBS. Cells were then  washed with a series of ethanol baths (70%, 90% and 100%)  for dehydration. The following CasPLA procedure was the  same with CasPLA for mtDNA imaging.   Microscopy and image analysis. All CasPLA samples  were imaged using a Leica TCS SP5 inverted confocal mi‐ croscope (Leica, Germany). The images were acquired with  a 40 x oil‐immersion objective. Ar laser (488 nm) was used  as the excitation source for Alexa488‐labeled probes, and a  500‐535 nm bandpass filter was used for fluorescence de‐ tection. The Cy5 dye was excited with a HeNe633 (633 nm)  laser and detected with a 650‐750 bandpass filter. Z‐stacks  were collected at a step size of 0.2 μm for 20 slices to image  the  entire  cell.  The  images  were  processed  using  ImageJ.  Amplicons  with  a  bright  fluorescent  signal  were  distin‐ guished from background by adjusting the threshold value  to 50. To determine the copy number per cell, the number  of bright pixels was counted by particle analysis in ImageJ. 

ASSOCIATED CONTENT Supporting Information The Supporting Information is available free of charge on the  ACS Publications website. Figures S1‐S12, Table S1‐S3. 

AUTHOR INFORMATION Corresponding Author * [email protected] 

Notes The authors declare no competing financial interests. 

ACKNOWLEDGMENT This work was financially supported by National Natural Sci‐ ence Foundation of China (No. 21621003, No. 21235004 and No.  21327806), National Key Research and Development Program  of China (No. 2016YFA0203101) and Tsinghua University Initi‐ ative Scientific Research Program. 

REFERENCES (1) Ross, J. M.; Stewart, J. B.; Hagstrom, E.; Brene, S.; Mourier, A.;  Coppotelli,  G.;  Freyer,  C.;  Lagouge,  M.;  Hoffer,  B.  J.;  Olson,  L.;  Larsson, N. G. Nature 2013, 501, 412‐417.  (2) Kandul, N. P.; Zhang, T.; Hay, B. A.; Guo, M. Nat. Commun.  2016, 7, 13100‐13111.  (3) Cree, L. M.; Samuels, D. C.; Lopes, S. C. D. S.; Rajasimha, H.  K.; Wonnapinij, P.; Mann, J. R.; Dahl, H. H. M.; Chinnery, P. F. Nat.  Genet. 2008, 40, 249‐254.  (4)  Moreno‐Loshuertos,  R.;  Acin‐Perez,  R.;  Fernandez‐Silva,  P.; 

Page 8 of 10

Movilla, N.; Perez‐Martos, A.; de Cordoba, S. R.; Gallardo, M. E.;  Enriquez, J. A. Nat. Genet. 2006, 38, 1261‐1268.  (5) Mishra, P.; Chan, D. C. Nat. Rev. Mol. Cell Bio. 2014, 15, 634‐ 646.  (6) Kocher, T. D.; Thomas, W. K.; Meyer, A.; Edwards, S. V.; Paabo,  S.; Villablanca, F. X.; Wilson, A. C. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1989,  86, 6196‐6200.  (7) van Gisbergen, M. W.; Voets, A. M.; Starmans, M. H. W.; de  Coo, I. F. M.; Yadak, R.; Hoffmann, R. F.; Boutros, P. C.; Smeets, H.  J. M.; Dubois, L.; Lambin, P. Mutat. Res.‐Rev. Mutat. 2015, 764, 16‐ 30.  (8) Sabharwal, S. S.; Schumacker, P. T. Nat. Rev. Cancer 2014, 14,  709‐721.  (9) Lood, C.; Blanco, L. P.; Purmalek, M. M.; Carmona‐Rivera, C.;  De Ravin, S. S.; Smith, C. K.; Malech, H. L.; Ledbetter, J. A.; Elkon,  K. B.; Kaplan, M. J. Nat. Med. 2016, 22, 146‐153.  (10) Imanishi, H.; Hattori, K.; Wada, R.; Ishikawa, K.; Fukuda, S.;  Takenaga, K.; Nakada, K.; Hayashi, J. I. PLoS One 2011, 6, e23401.  (11) West, A. P.; Khoury‐Hanold, W.; Staron, M.; Tal, M. C.; Pineda,  C.  M.;  Lang,  S.  M.;  Bestwick,  M.;  Duguay,  B.  A.;  Raimundo,  N.;  MacDuff, D. A.; Kaech, S. M.; Smiley, J. R.; Means, R. E.; Iwasaki,  A.; Shadel, G. S. Nature 2015, 520, 553‐557.  (12) Fliss, M. S.; Usadel, H.; Cabellero, O. L.; Wu, L.; Buta, M. R.;  Eleff, S. M.; Jen, J.; Sidransky, D. Science 2000, 287, 2017‐2019.  (13) Deng, R. J.; Zhang, K. X.; Wang, L. D.; Ren, X. J.; Sun, Y. P.; Li,  J. H. Chem 2018, 4, 1373‐1386.  (14)  Larsson,  C.;  Koch,  J.;  Nygren,  A.;  Janssen,  G.;  Raap,  A.  K.;  Landegren, U.; Nilsson, M. Nat. Methods 2004, 1, 227‐232.  (15) Deng, R. J.; Zhang, K. X.; Li, J. H. Acc. Chem. Res. 2017, 50,  1059‐1068.  (16) Zrazhevskiy, P.; Akilesh, S.; Tai, W. Y.; Queitsch, K.; True, L.  D.; Fromm, J.; Wu, D.; Nelson, P.; Stamatoyannopoulos, J. A.; Gao,  X. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 8975‐8978.  (17) Deng, R. J.; Zhang, K. X.; Sun, Y. P.; Ren, X. J.; Li, J. H. Chem.  Sci. 2017, 8, 3668‐3675.  (18)  Weibrecht,  I.;  Lundin,  E.;  Kiflemariam,  S.;  Mignardi,  M.;  Grundberg, I.; Larsson, C.; Koos, B.; Nilsson, M.; Soderberg, O. Nat.  Protoc. 2013, 8, 355‐372.  (19) Janiszewska, M.; Liu, L.; Almendro, V.; Kuang, Y.; Paweletz,  C.; Sakr, R. A.; Weigelt, B.; Hanker, A. B.; Chandarlapaty, S.; King,  T. A.; Reis, J. S.; Arteaga, C. L.; Park, S. Y.; Michor, F.; Polyak, K.  Nat. Genet. 2015, 47, 1212‐1233.  (20) Deng, W. L.; Shi, X. H.; Tjian, R.; Lionnet, T.; Singer, R. H.  Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2015, 112, 11870‐11875.  (21) Chen, B.; Gilbert, L. A.; Cimini, B. A.; Schnitzbauer, J.; Zhang,  W.; Li, G. W.; Park, J.; Blackburn, E. H.; Weissman, J. S.; Qi, L. S.;  Huang, B. Cell 2013, 155, 1479‐1491.  (22) Zhang, K. X.; Deng, R. J.; Li, Y.; Zhang, L.; Li, J. H. Chem. Sci.  2016, 7, 4951‐4957.  (23) Shao, S. P.; Zhang, W. W.; Hu, H.; Xue, B. X.; Qin, J. S.; Sun,  C. Y.; Sun, Y. A.; Wei, W. S.; Sun, Y. J. Nucleic Acids Res. 2016, 44,  e86   (24) Fu, Y.; Rocha, P. P.; Luo, V. M.; Raviram, R.; Deng, Y.; Mazzoni,  E. O.; Skok, J. A. Nat. Commun. 2016, 7, 11707‐11715.  (25) Ma, H. H.; Tu, L. C.; Naseri, A.; Huisman, M.; Zhang, S. J.;  Grunwald, D.; Pederson, T. Nat. Biotechnol. 2016, 34, 528‐530.  (26)  Chen,  B.  H.;  Hu,  J.;  Almeida,  R.;  Liu,  H.;  Balakrishnan,  S.;  Covill‐Cooke, C.; Lim, W. A.; Huang, B. Nucleic Acids Res. 2016, 44,  e75.  (27)  Qin,  P.  W.;  Parlak,  M.;  Kuscu,  C.;  Bandaria,  J.;  Mir,  M.;  Szlachta,  K.;  Singh,  R.;  Darzacq,  X.;  Yildiz,  A.;  Adli,  M.  Nat.  Commun. 2017, 8, 14725‐14735.  (28) Ye, H.; Rong, Z.; Lin, Y. Protein Cell 2017, 8, 853‐855.  (29) Takei, Y.; Shah, S.; Harvey, S.; Qi, L. S.; Cai, L. Biophys. J. 2017,  112, 1773‐1776.  (30) Hong, Y.; Lu, G.; Duan, J.; Liu, W.; Zhang, Y. Genome Biol.  2018, 19, 39. 

ACS Paragon Plus Environment

Page 9 of 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Journal of the American Chemical Society

(31) Hsu, P. D.; Lander, E. S.; Zhang, F. Cell 2014, 157, 1262‐1278.  (32) Gao, X. X.; Hannoush, R. N. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4544‐ 4550.  (33) Soderberg, O.; Leuchowius, K. J.; Gullberg, M.; Jarvius, M.;  Weibrecht, I.; Larsson, L. G.; Landegren, U. Methods 2008, 45, 227‐ 232.  (34) Dieck, S.; Kochen, L.; Hanus, C.; Heumüller, M.; Bartnik, I.;  Nassim‐Assir, B.; Merk, K.; Mosler, T.; Garg, S.; Bunse, S.; Tirrell, D.  A.; Schuman, E. M. Nat. Methods 2015, 12, 411‐414.  (35)  Sternberg,  S.  H.;  Redding,  S.;  Jinek,  M.;  Greene,  E.  C.;  Doudna, J. A. Nature 2014, 507, 62‐67.  (36) Singh, D.; Sternberg, S. H.; Fei, J. Y.; Doudna, J. A.; Ha, T. Nat.  Commun. 2016, 7, 12778‐12792.  (37) Tsai, C. T.; Robinson, P. V.; Spencer, C. A.; Bertozzi, C. R. ACS  Cent. Sci. 2016, 2, 139‐147.  (38) Robinson, P. V.; Tsai, C. T.; de Groot, A. E.; McKechnie, J. L.;  Bertozzi, C. R. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10722‐10725.  (39)  Koshikawa,  N.;  Akimoto,  M.;  Hayashi,  J.  I.;  Nagase,  H.;  Takenaga, K. Sci. Rep. 2017, 7, 15535.  (40)  Granatiero,  V.;  Giorgio,  V.;  Cali,  T.;  Patron,  M.;  Brini,  M.;  Bernardi, P.; Tiranti, V.; Zeviani, M.; Pallafacchina, G.; De Stefani,  D.; Rizzuto, R. Cell Death Differ. 2016, 23, 231‐241.  (41)  Reznik,  E.;  Miller,  M.  L.;  Senbabaoglu,  Y.;  Riaz,  N.;  Sarungbam, J.; Tickoo, S. K.; Al‐Ahmadie, H. A.; Lee, W.; Seshan,  V. E.; Hakimi, A. A.; Sander, C. Elife 2016, 5, e10769.  (42) Rustom, A.; Saffrich, R.; Markovic, I.; Walther, P.; Gerdes, H.  H. Science 2004, 303, 1007‐1010.  (43) Adli, M. Nat. Commun. 2018, 9, 1911.  (44) Gao, L. Y.; Cox, D. B. T.; Yan, W. X.; Manteiga, J. C.; Schneider,  M. W.; Yamano, T.; Nishimasu, H.; Nureki, O.; Crosetto, N.; Zhang,  F. Nat. Biotechnol. 2017, 35, 789‐792.  (45)    Lightowlers,  R.  N.;  Taylor,  R.  W.;  Turnbull,  D.  M.  Science  2015, 349, 1494‐1499.  (46)  Weissensteiner,  H.;  Forer,  L.;  Fuchsberger,  C.;  Schopf,  B.;  Kloss‐Brandstatter,  A.;  Specht,  G.;  Kronenberg,  F.;  Schonherr,  S.  Nucleic Acids Res. 2016, 44, W64‐W69.  (47) Albertson, D. G.; Pinkel, D. Hum. Mol. Genet. 2003, 12, 145‐ 152.  (48) Yaroslavsky, A. I.; Smolina, I. V. Chem. Biol. 2013, 20, 445‐453.  (49)  Karapetis,  C.  S.;  Khambata‐Ford,  S.;  Jonker,  D.  J.;  O'Callaghan, C. J.; Tu, D.; Tebbutt, N. C.; Simes, R. J.; Chalchal, H.;  Shapiro,  J.  D.;  Robitaille,  S.;  Price,  T.  J.;  Shepherd,  L.;  Au,  H.  J.;  Langer, C.; Moore, M. J.; Zalcberg, J. R. N. Engl. J. Med. 2008, 359,  1757‐1765. 

(50) Tejpar, S.; Celik, I.; Schlichting, M.; Sartorius, U.; Bokemeyer,  C.; Van Cutsem, E. J. Clin. Oncol. 2012, 30, 3570‐3577.  (51)  Cheglakov,  Z.;  Cronin,  T.  M.;  He,  C.;  Weizmann,  Y.  J.  Am.  Chem. Soc. 2015, 137, 6116‐6119.  (52) Li, L.; Feng, J.; Liu, H. Y.; Li, Q. L.; Tong, L. L.; Tang, B. Chem.  Sci. 2016, 7, 1940‐1945. 

 

ACS Paragon Plus Environment

Journal of the American Chemical Society 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 10 of 10

 

Table of Contents 

 

10 ACS Paragon Plus Environment