科学家首次捕捉到Cas9酶切割DNA的清晰图像
近日，英属哥伦比亚大学和伊利诺伊大学芝加哥分校的科学家捕捉到Cas9核酸内切酶精确切割DNA链的高分辨率图像，并发表在《Nature Structural and Molecular Biology》杂志上。
近日，英属哥伦比亚大学和伊利诺伊大学芝加哥分校的科学家捕捉到Cas9核酸内切酶精确切割DNA链的高分辨率图像，并发表在《Nature Structural and Molecular Biology》杂志上。
这些图像是利用低温电子显微镜（cryo-EM）技术捕捉的，显示了基因编辑工具CRISPR-Cas9是如何工作的，将有助于研究人员开发更高效、更精确的基因编辑工具。这项成果为治疗和预防由DNA突变引起的一系列人类疾病带来了希望，比如亨廷顿病和癌症。
负责cryo-EM研究的英属哥伦比亚大学研究人员Sriram Subramaniam说：“如此详细地了解Cas9究竟如何切割和编辑DNA链，这真是让人兴奋。这些图像为我们提供了宝贵的信息，有望提高基因编辑过程的效率，并更快更准确地纠正致病的DNA突变。”
CRISPR-Cas9是一种基因编辑工具，其中Cas9核酸内切酶就像一把能够切割DNA链的分子剪刀。在向导RNA的指引下，Cas9在基因组上的特定位点切割DNA，然后就可以插入和编辑，从而改变DNA序列。
为了更好地了解编辑过程中各个事件的顺序，Subramaniam及其同事利用了cryo-EM技术对工作中的Cas9酶进行成像。这些图像显示了Cas9酶切割DNA过程中所发生的每一步分子运动，包括切割后的DNA仍然附着在酶上即将释放的快照。
研究人员呈现了Cas9-sgRNA-DNA复合物在预催化、后催化和产物状态下的cryo-EM结构。在预催化状态下，Cas9采用“检查点”构象，其HNH核酸酶结构域远离DNA。后催化状态捕获了仍与HNH活性位点结合的切割底物。在产物状态下，HNH结构域是无序的，而REC2识别结构域回到预催化构象。
共同通讯作者、伊利诺伊大学的研究人员Miljan Simonovic 表示：“人们希望利用Cas9开发更好的基因编辑工具，但主要障碍之一是没有Cas9切割DNA的任何图像。现在我们有了更清晰的图像，甚至看到了酶的主要结构域在反应过程中是如何移动的，这有望成为改造的重要靶点。”
Subramaniam实验室是首个利用cryo-EM技术实现蛋白质的原子分辨率成像的实验室。在过去几年中，他们率先利用cryo-EM来解析各种蛋白质的结构，包括代谢酶、大脑受体以及DNA-蛋白复合物。
参考资料：
Cryo-EM structures reveal coordinated domain motions that govern DNA cleavage by Cas9
Nature Structural & Molecular Biology (2019)
