科學家首次捕捉到Cas9酶切割DNA的清晰圖像

這些圖像是利用低溫電子顯微鏡（cryo-EM）技術捕捉的，顯示了基因編輯工具CRISPR-Cas9是如何工作的，將有助于研究人員開發更高效、更精確的基因編輯工具。這項成果為治療和預防由DNA突變引起的一系列人類疾病帶來了希望，比如亨廷頓病和癌癥。

負責cryo-EM研究的英屬哥倫比亞大學研究人員Sriram Subramaniam說：“如此詳細地了解Cas9究竟如何切割和編輯DNA鏈，這真是讓人興奮。這些圖像為我們提供了寶貴的信息，有望提高基因編輯過程的效率，并更快更準確地糾正致病的DNA突變。”

CRISPR-Cas9是一種基因編輯工具，其中Cas9核酸內切酶就像一把能夠切割DNA鏈的分子剪刀。在向導RNA的指引下，Cas9在基因組上的特定位點切割DNA，然后就可以插入和編輯，從而改變DNA序列。

為了更好地了解編輯過程中各個事件的順序，Subramaniam及其同事利用了cryo-EM技術對工作中的Cas9酶進行成像。這些圖像顯示了Cas9酶切割DNA過程中所發生的每一步分子運動，包括切割后的DNA仍然附著在酶上即將釋放的快照。

研究人員呈現了Cas9-sgRNA-DNA復合物在預催化、后催化和產物狀態下的cryo-EM結構。在預催化狀態下，Cas9采用“檢查點”構象，其HNH核酸酶結構域遠離DNA。后催化狀態捕獲了仍與HNH活性位點結合的切割底物。在產物狀態下，HNH結構域是無序的，而REC2識別結構域回到預催化構象。

共同通訊作者、伊利諾伊大學的研究人員Miljan Simonovic 表示：“人們希望利用Cas9開發更好的基因編輯工具，但主要障礙之一是沒有Cas9切割DNA的任何圖像。現在我們有了更清晰的圖像，甚至看到了酶的主要結構域在反應過程中是如何移動的，這有望成為改造的重要靶點。”

Subramaniam實驗室是首個利用cryo-EM技術實現蛋白質的原子分辨率成像的實驗室。在過去幾年中，他們率先利用cryo-EM來解析各種蛋白質的結構，包括代謝酶、大腦受體以及DNA-蛋白復合物。