Science解析熱點基因組編輯工具

　　近來，Cas9酶作為一種有力的新基因組編輯工具，引起了人們極大的研究熱情。現在加州大學伯克利分校的研究人員，首次成像了這種酶的精細三維結構，這一成果無疑會進一步提高Cas9的應用價值。文章于二月六日發表在Science雜志上。

　　加州大學的生化學家Jennifer Doudna和生物物理學家Eva Nogales領導研究團隊，使用X射線晶體衍射技術，獲得了兩種主要Cas9酶的晶體結構，分辨率達到了2.6和2.2 ?。隨后研究團隊通過單顆粒電鏡向人們展示了，Cas9搭檔引導RNA與目標DNA相互作用的機制。這一結果可以幫助人們對Cas9酶進行改良，使其更適合基礎研究和基因工程。

　　“我們在X射線晶體衍射和電鏡單顆粒分析的幫助下發現，Cas9蛋白單獨存在時處于非活性狀態，但與引導RNA結合后，它的三維結構會經歷劇烈的改變，允許Cas9與目標DNA結合。” Nogales說。

　　“獲得兩種主要Cas9的高分辨率結構之后，我們可以開始理解這類細菌酶的演化，” Doudna說。“我們看到在催化區域之外，這兩種結構差異很大。這種有趣的結構靈活性可以解釋Cas9為何能夠使用不同種類的引導RNA。我們可以在此基礎上設計不影響其功能的小Cas9變體，這對于一些基因組工程應用非常重要。”

　　細菌一直在和病毒或入侵核酸(質粒)進行斗爭，為此它們采用了多種防御機制。以CRISPR序列為核心的適應性核酸免疫系統就是其中之一。在CRISPR和CRISPR相關蛋白(Cas)的幫助下，細菌可以在小RNA分子的引導下，靶標和沉默入侵者遺傳信息的關鍵部分。

　　Cas9是一類受RNA引導的細菌內切酶，被II型CRISPR系統用來識別和剪切特定的雙鏈DNA。人們已經開始利用Cas9在許多真核生物中進行基因組編輯和基因調控。然而，這一技術還沒有充分發揮出它的潛力，因為人們還不清楚Cas9靶標DNA的結構基礎。

　　研究人員在鏈球菌(Streptococcus pyogenes)和放線菌(Actinomyces naeslundii)中解析了Cas9蛋白(SpyCas和AnaCas9)的三維晶體結構。他們發現盡管這些蛋白催化區域外的結構有顯著差異，但Cas9家族的成員具有相同的核心結構，這一結構可以裂開兩瓣形成鉗狀。當引導RNA與Cas9結合后，可以使其形成與DNA結合的界面，將Cas9激活。

　　“我們發現，引導RNA對Cas9轉變為活性狀態非常重要，”文章的作者之一David Taylor說。“研究顯示，我們在使用這一技術時，除了序列互補性，還應道考慮到引導RNA的其它特性。”