Science解析热点基因组编辑工具

　　

生物通报道：近来，Cas9酶作为一种有力的新基因组编辑工具，引起了人们极大的研究热情。现在加州大学伯克利分校的研究人员，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。文章于二月六日发表在Science杂志上。

加州大学的生化学家Jennifer Doudna和生物物理学家Eva Nogales领导研究团队，使用X射线晶体衍射技术，获得了两种主要Cas9酶的晶体结构，分辨率达到了2.6和2.2 Å。随后研究团队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。

“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。” Nogales说。

“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，” Doudna说。“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。

“我们发现，引导RNA对Cas9转变为活性状态非常重要，”文章的作者之一David Taylor说。“研究显示，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。”

 

生物通编辑：叶予

生物通推荐原文：

Structures of Cas9 endonucleases reveal RNA-mediated conformational activation.