Catalytic-state structure and engineering of Streptococcus thermophilus Cas9

Cas9 清脆的 基因组编辑 计算生物学 DNA 核糖核酸 合理设计 遗传学 生物 基因
作者
Yifei Zhang,Hongyuan Zhang,Xuexia Xu,Yujue Wang,Weizhong Chen,Yannan Wang,Zhaowei Wu,Na Tang,Yu Wang,Suwen Zhao,Jianhua Gan,Quanjiang Ji
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:3 (10): 813-823 被引量:60
标识
DOI:10.1038/s41929-020-00506-9
摘要

Cas9 nucleases recognize and cleave their target DNA through base pairing of a guide RNA with a spacer adjacent to a protospacer adjacent motif (PAM). Streptococcus thermophilus Cas9 (St1Cas9), a smaller Cas9 orthologue than Streptococcus pyogenes Cas9, enables robust genome editing in diverse organisms. Here we report high-resolution structures of St1Cas9 in complex with a single-guide RNA and different PAM-containing DNAs. All of the structures represent an HNH catalytic state that is rarely observed in other Cas9 structures, clearly depicting the active conformation. A unique wing region in the REC domain forms intensive interactions with the HNH domain, playing a key role in regulating St1Cas9 DNA cleavage activity and probably stabilizing the active conformation. Furthermore, St1Cas9 applies a strategy distinct from those of other Cas9 orthologues for PAM recognition. Structure-guided engineering of St1Cas9 substantially expanded its targeting scope. These molecular-level characterizations will facilitate the rational engineering of St1Cas9. CRISPR–Cas9 systems have revolutionized the field of genome editing. This work reports rare structures of a Cas9 enzyme (St1Cas9) in its HNH catalytic state, providing mechanistic insights related to DNA recognition and cleavage, and structure-guided engineering is used for expansion of the PAM recognition.
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