CRISPR-Cas9 bends and twists DNA to read its sequence

Cas9 清脆的 DNA 碱基对 核糖核酸 计算生物学 基因组编辑 生物 引导RNA DNA测序 基因组 遗传学 基因
作者
Joshua C Cofsky,Katarzyna M Soczek,Gavin J. Knott,Eva Nogales,Jennifer A. Doudna
标识
DOI:10.1101/2021.09.06.459219
摘要

In bacterial defense and genome editing applications, the CRISPR-associated protein Cas9 searches millions of DNA base pairs to locate a 20-nucleotide, guide-RNA-complementary target sequence that abuts a protospacer-adjacent motif (PAM) 1 . Target capture requires Cas9 to unwind DNA at candidate sequences using an unknown ATP-independent mechanism 2,3 . Here we show that Cas9 sharply bends and undertwists DNA at each PAM, thereby flipping DNA nucleotides out of the duplex and toward the guide RNA for sequence interrogation. Cryo-electron-microscopy (EM) structures of Cas9:RNA:DNA complexes trapped at different states of the interrogation pathway, together with solution conformational probing, reveal that global protein rearrangement accompanies formation of an unstacked DNA hinge. Bend-induced base flipping explains how Cas9 “reads” snippets of DNA to locate target sites within a vast excess of non-target DNA, a process crucial to both bacterial antiviral immunity and genome editing. This mechanism establishes a physical solution to the problem of complementarity-guided DNA search and shows how interrogation speed and local DNA geometry may influence genome editing efficiency.
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