Structural basis for Cas9 off-target activity

Cas9 清脆的 引导RNA 核糖核酸 劈开 复式(建筑) 计算生物学 异源双工 核酸酶 DNA 碱基对 互补性(分子生物学) 基因组编辑 生物 遗传学 基因
作者
Martin Pačesa,Chun‐Han Lin,Antoine Cléry,Aakash Saha,Pablo Arantes,Katja Bargsten,Matthew J. Irby,Frédéric H.‐T. Allain,Giulia Palermo,Peter Cameron,Paul D. Donohoue,Martin Jínek
标识
DOI:10.1101/2021.11.18.469088
摘要

ABSTRACT The target DNA specificity of the CRISPR-associated genome editor nuclease Cas9 is determined by complementarity to a 20-nucleotide segment in its guide RNA. However, Cas9 can bind and cleave partially complementary off-target sequences, which raises safety concerns for its use in clinical applications. Here we report crystallographic structures of Cas9 bound to bona fide off-target substrates, revealing that off-target binding is enabled by a range of non-canonical base pairing interactions within the guide–off-target heteroduplex. Off-target sites containing single-nucleotide deletions relative to the guide RNA are accommodated by base skipping or multiple non-canonical base pairs rather than RNA bulge formation. Additionally, PAM-distal mismatches result in duplex unpairing and induce a conformational change of the Cas9 REC lobe that perturbs its conformational activation. Together, these insights provide a structural rationale for the off-target activity of Cas9 and contribute to the improved rational design of guide RNAs and off-target prediction algorithms.
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