DNA是雙鏈的,那麼CRISPR-Cas9的gRNA如何跟目的序列互補配對?

Cas9識別目的DNA序列是通過gRNA跟DNA的互補配對,但是DNA已經是雙鏈配對的了,gRNA如何與之配對呢?難道Cas9可以解旋嗎?


最近知乎在電腦上莫名沒法答題,試著用手機簡單答一下吧。

簡而言之,Cas9是可以unwind(解旋?)DNA的。gRNA和target dsDNA配對是在解旋之後所進行。

具體原理在Doudna 2014年的nature paper[1]上被證實了,我來總結一下具體步驟:

1. gRNA和Cas9形成Cas9:gRNA complex.

2. 這個complex來尋找雙鏈DNA上的PAM位點。因為crisper/cas9源於細菌的防禦機制,為了定點清除進入細胞內的「異己DNA而設計」,PAM就是evolutionary conserved關於「異己DNA」的特異標誌,所以Cas9需要識別PAM也就不難解釋了。現在分子生物學常用的Cas9源自S. Pyogenes這個細菌種屬,這種Cas9的特異PAM是5" NGG(N可以是任何nucleotide)。在人類基因組上GG佔5%(每42bp就有一個),因此人的絕大多數基因都在PAM附近,也就意味著幾乎所有人的基因都可以被Cas9識別。

3. 當Cas9:gRNA complex識別到PAM的時候,Cas9就會把下游的雙鏈DNA解旋,然後這個complex來根據gRNA的序列「掃描」解旋的DNA,一旦發現和gRNA序列互補的DNA,Cas9就會把DNA切開,完成操作。

下圖是Doudna那篇paper的原理解釋的figure,非常通俗易懂:

隨後Doudna組和日本的Nureki組各自獨立解出了Cas9-gRNA complex的結構,證明了上面的原理是對的。[2][3]1.http://www.nature.com/nature/journal/v507/n7490/full/nature13011.html

2.http://science.sciencemag.org/content/348/6242/1477.long

3.http://www.cell.com/abstract/S0092-8674(14)00156-1


答案是,可以,具體的文獻太多了,簡單說一下

cas9的剪切基因組,簡化的過程如下:

1.cas9結合gRNA

2.cas9/gRNA複合物掃讀基因組,識別並結合pam序列(注意,這個過程pam序列三個核苷酸是不解鏈的)

3.cas9/gRNA複合物在結合了pam之後,gRNA與基因組開始匹配,在匹配的過程中功過gRNA與DNA氫鍵結合所釋放的能量,被用於DNA的解鏈和cas9蛋白的構象轉變

4.cas9蛋白構象轉變,切割雙鏈DNA

整個過程沒有ATP等供能分子參與,全部能量來自gRNA和DNA配對結合所釋放的能量,所以當gRNA長度不足時,會出現cas9蛋白由於能量不足僅結合基因組,卻無法剪切的現象


cas9有解開螺旋的活性,一邊解開一邊用sgRNA卡。


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