Science：解析基因组编辑明星Cas9酶的三维结构

Cas9 酶在细菌免疫系统起着关键作用，而作为一种有力的新基因组编辑工具，它引起了科学家们极大的研究热情。现在，来自加州大学伯克利分校（UCB）的研究人员首次成像了这种酶的精细三维结构，这一成果无疑会进一步提高 Cas9 的应用价值。

Eva Nogales（左）与 Jennifer Doudna

在这项刊登在《科学》杂志的最新研究中，生物物理学家 Eva Nogales 和生化学家 Jennifer Doudna 领导的研究小组利用 X 射线晶体衍射技术，获得了两种主要 Cas9 酶的晶体结构，分辨率分别达到了 2.6 和 2.2Å。

随后，研究人员通过单颗粒电镜向人们展示了，Cas9 搭档引导 RNA 与目标 DNA 相互作用的机制。这一结果可以帮助人们对 Cas9 酶进行改良，使其更适合基础研究和基因工程。

Nogales 表示：“我们在X射线晶体衍射和电镜单颗粒分析的帮助下发现， Cas9 蛋白单独存在时处于非活性状态，但与引导 RNA 结合后，它的三维结构会经历剧烈的改变，允许 Cas9 与目标 DNA 结合。”

Doudna 表示：“获得两种主要 Cas9 的高分辨率结构之后，我们可以开始理解这类细菌酶的演化。我们看到在催化区域之外，这两种结构差异很大。这种有趣的结构灵活性可以解释 Cas9 为何能够使用不同种类的引导 RNA 。我们可以在此基础上设计不影响其功能的小 Cas9 变体，这对于一些基因组工程应用非常重要。”

细菌一直在和病毒或入侵核酸（质粒）进行斗争，为此它们采用了多种防御机制。以 CRISPR 序列为核心的适应性核酸免疫系统就是其中之一。在 CRISPR 和 CRISPR 相关蛋白（Cas）的帮助下，细菌可以在小 RNA 分子的引导下，靶标和沉默入侵者遗传信息的关键部分。

Cas9 是一类受 RNA 引导的细菌内切酶，被 II 型 CRISPR 系统用来识别和剪切特定的双链 DNA 。人们已经开始利用 Cas9 在许多真核生物中进行基因组编辑和基因调控。然而，这一技术还没有充分发挥出它的潜力，因为人们还不清楚 Cas9 靶标 DNA 的结构基础。

研究人员在链球菌（Streptococcus pyogenes）和放线菌（Actinomyces naeslundii）中解析了 Cas9 蛋白（SpyCas 和 AnaCas9）的三维晶体结构。他们发现尽管这些蛋白催化区域外的结构有显著差异，但 Cas9 家族的成员具有相同的核心结构，这一结构可以裂开两瓣形成钳状。当引导 RNA 与 Cas9 结合后，可以使其形成与 DNA 结合的界面，将 Cas9 激活。

文章共同第一作者 David Taylor 指出：“研究显示，引导 RNA 对 Cas9 转变为活性状态非常重要。我们在使用这一技术时，除了序列互补性，还应道考虑到引导 RNA 的其它特性。”

原文检索：

Martin Jinek, Fuguo Jiang, David W. Taylor, Samuel H. Sternberg, Emine Kaya, Enbo Ma, Carolin Anders,Michael Hauer, Kaihong Zhou, Steven Lin, Matias Kaplan, Anthony T. Iavarone, Emmanuelle Charpentier,Eva Nogales, and Jennifer A. Doudna. Structures of Cas9 Endonucleases Reveal RNA -Mediated Conformational Activation. Science, 6 February 2014; DOI:10.1126/science.1247997