深圳子科生物報(bào)道:近日，英屬哥倫比亞大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的科學(xué)家捕捉到Cas9核酸內(nèi)切酶精確切割DNA鏈的高分辨率圖像，并發(fā)表在《Nature Structural and Molecular Biology》雜志上。

這些圖像是利用低溫電子顯微鏡（cryo-EM）技術(shù)捕捉的，顯示了基因編輯工具CRISPR-Cas9是如何工作的，將有助于研究人員開發(fā)更高效、更精確的基因編輯工具。這項(xiàng)成果為治療和預(yù)防由DNA突變引起的一系列人類疾病帶來了希望，比如亨廷頓病和癌癥。

負(fù)責(zé)cryo-EM研究的英屬哥倫比亞大學(xué)研究人員Sriram Subramaniam說：“如此詳細(xì)地了解Cas9究竟如何切割和編輯DNA鏈，這真是讓人興奮。這些圖像為我們提供了寶貴的信息，有望提高基因編輯過程的效率，并更快更準(zhǔn)確地糾正致病的DNA突變?！?

CRISPR-Cas9是一種基因編輯工具，其中Cas9核酸內(nèi)切酶就像一把能夠切割DNA鏈的分子剪刀。在向?qū)NA的指引下，Cas9在基因組上的特定位點(diǎn)切割DNA，然后就可以插入和編輯，從而改變DNA序列。

為了更好地了解編輯過程中各個(gè)事件的順序，Subramaniam及其同事利用了cryo-EM技術(shù)對(duì)工作中的Cas9酶進(jìn)行成像。這些圖像顯示了Cas9酶切割DNA過程中所發(fā)生的每一步分子運(yùn)動(dòng)，包括切割后的DNA仍然附著在酶上即將釋放的快照。

研究人員呈現(xiàn)了Cas9-sgRNA-DNA復(fù)合物在預(yù)催化、后催化和產(chǎn)物狀態(tài)下的cryo-EM結(jié)構(gòu)。在預(yù)催化狀態(tài)下，Cas9采用“檢查點(diǎn)”構(gòu)象，其HNH核酸酶結(jié)構(gòu)域遠(yuǎn)離DNA。后催化狀態(tài)捕獲了仍與HNH活性位點(diǎn)結(jié)合的切割底物。在產(chǎn)物狀態(tài)下，HNH結(jié)構(gòu)域是無序的，而REC2識(shí)別結(jié)構(gòu)域回到預(yù)催化構(gòu)象。

共同通訊作者、伊利諾伊大學(xué)的研究人員Miljan Simonovic 表示：“人們希望利用Cas9開發(fā)更好的基因編輯工具，但主要障礙之一是沒有Cas9切割DNA的任何圖像?，F(xiàn)在我們有了更清晰的圖像，甚至看到了酶的主要結(jié)構(gòu)域在反應(yīng)過程中是如何移動(dòng)的，這有望成為改造的重要靶點(diǎn)。”

Subramaniam實(shí)驗(yàn)室是首個(gè)利用cryo-EM技術(shù)實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的原子分辨率成像的實(shí)驗(yàn)室。在過去幾年中，他們率先利用cryo-EM來解析各種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，包括代謝酶、大腦受體以及DNA-蛋白復(fù)合物。

原文檢索

Cryo-EM structures reveal coordinated domain motions that govern DNA cleavage by Cas9

Nature Structural & Molecular Biology (2019)