活性CRISPR酶的第一张高分辨率图像将有助于改善基因组编辑

有史以来第一次，科学家们正在努力解决如何提高CRISPR技术的效率——这是一个基因编辑平台，使用一种叫做Cas9的酶来精确切割和编辑活细胞中的特定DNA序列——并在切割DNA前后捕捉到了酶的原子级三维图像。

这些图像提供了关于酶如何工作的新结构信息，并将帮助研究人员开发可以更有效和准确地改变目标基因的酶的修改版本。Cas9的图像和见解就是根据它们制作的，并发表在《自然结构和分子生物学》上。

CRISPR是一种基因编辑工具，允许科学家从DNA中剪切掉不需要的基因或遗传物质，或者给基因添加所需的序列，以改变其功能或调节其活动。CRISPR使用一种叫做Cas9的酶，它像剪刀一样切割特定的DNA序列。一旦DNA在任何一侧被切割，细胞就会启动修复系统，重新连接DNA链的两端。

“阻止使用Cas9开发更好的基因编辑工具的主要障碍之一是，我们没有切割DNA后酶的任何图像，也没有关于这种非常重要的酶在执行中经历的变化的完整信息。伊利诺伊大学芝加哥分校生物化学和分子遗传学副教授、论文通讯作者米尔詹西蒙诺维奇说。

x射线晶体学已被用于获得早期Cas9结构图像，但这种方法有局限性。为了捕获晶体形式的酶的各种状态，研究人员使用无活性的Cas9(一种不切割DNA的酶)或形成不支持DNA切割的晶体。这些过程只能在切割前产生酶的图像。

西蒙诺维奇说，“对调节Cas9的活性或工程改造可能更好工作的突变酶感兴趣的研究人员只是在开始时没有完整的信息，所以进展没有预期的那么快。”“但现在我们有了更清晰的图像，我们甚至可以看到酶的主要结构域在反应过程中是如何移动的，这对于进一步的探索可能很重要。”

不列颠哥伦比亚大学的医学教授兼该研究的共同资深作者斯里拉姆苏布拉马年说，看到Cas9如何以如此高的细节水平切割和编辑DNA链令人兴奋。“这些图像为我们提供了有价值的信息，可以提高基因编辑过程的效率，因此有望在未来更快更准确地纠正导致疾病的DNA突变。”

西蒙诺维奇知道，要真正看到Cas9工作，需要不同的成像技术。在过去的十年中，低温电子显微镜或低温EM因其能够在接近其自然环境的条件下以高分辨率对大分子成像而闻名。

Simonovic和他的同事使用活性Cas9以及DNA和指导RNA。通过激活酶添加DNA切割所需的镁，将Cas9复合物快速冷冻并通过cryo-EM成像。最终的结果是，Cas9捕获了与核酸结合的三种不同结构排列的快照。最值得注意的是，在三种状态中的两种状态下，靶DNA被切割，但酶仍然与其结合，因此允许以高分辨率观察生化反应序列的最后一步。

在第一种状态下，酶在切割DNA之前被捕获，它的主结构域“评估”要切割的序列是否合适。在第二步中，Cas9在DNA切割后几乎立即成像。事实上，这种酶的活性部位就在DNA链的断裂处。在第三种状态下，酶开始从被切割的DNA上移开。

“我们发现了一些关于Cas9如何与DNA相互作用及其工作原理的新东西。其中一个最有趣的问题是，在反应过程中，几个酶域如何一起运动，如何在有序态和无序态之间循环。这种酶的特点是，一些结构域由Simonovich表达，这些结构域是稳定的，而其他结构域在被发现或预测之前，似乎在不同的结构状态之间快速移动。”这些新信息可以用来调节Cas9如何处理目标DNA，并帮助设计更好的基因组编辑工具。"

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