Cryo-EM structures reveal coordinated domain motions that govern DNA cleavage by Cas9

核酸酶 劈理(地质) DNA 核酸内切酶 引导RNA Cas9 生物物理学 化学 清脆的 生物 生物化学 基因 断裂(地质) 古生物学
作者
Xing Zhu,Ryan Clarke,Anupama K. Puppala,Sagar Chittori,Alan Merk,Bradley J. Merrill,Miljan Simonović,Sriram Subramaniam
出处
期刊:Nature Structural & Molecular Biology [Nature Portfolio]
卷期号:26 (8): 679-685 被引量:170
标识
DOI:10.1038/s41594-019-0258-2
摘要

The RNA-guided Cas9 endonuclease from Streptococcus pyogenes is a single-turnover enzyme that displays a stable product state after double-stranded-DNA cleavage. Here, we present cryo-EM structures of precatalytic, postcatalytic and product states of the active Cas9–sgRNA–DNA complex in the presence of Mg2+. In the precatalytic state, Cas9 adopts the 'checkpoint' conformation with the HNH nuclease domain positioned far away from the DNA. Transition to the postcatalytic state involves a dramatic ~34-Å swing of the HNH domain and disorder of the REC2 recognition domain. The postcatalytic state captures the cleaved substrate bound to the catalytically competent HNH active site. In the product state, the HNH domain is disordered, REC2 returns to the precatalytic conformation, and additional interactions of REC3 and RuvC with nucleic acids are formed. The coupled domain motions and interactions between the enzyme and the RNA-DNA hybrid provide new insights into the mechanism of genome editing by Cas9. Cryo-EM structures of the active Cas9–sgRNA–DNA complex in the presence of Mg2+ capture Cas9 in the pre- and postcatalytic states as well as in the product-bound state, and reveal coupled domain motions and interactions between the enzyme and nucleic acids.
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