FSU研究人员捕获镁离子与CRISPR基因编辑酶相互作用的高分辨率图像

在《自然催化》杂志上发表的研究中，佛罗里达州立大学的科学家制作了第一张高分辨率延时图像，显示镁离子在切割 DNA 链时与 CRISPR-Cas9 酶相互作用，提供了明确的证据表明镁在这两种酶中都发挥着作用化学键断裂和几乎同时的 DNA 切割。

“如果你要切割基因，你不会希望只断裂一条 DNA 链，因为细胞无需编辑即可轻松修复它。你希望两条链都断裂。” 化学与生物化学系教授、 分子生物物理研究所所长李红说。“你需要两个切口同时射击。镁在其中发挥着重要作用，我们确切地看到了它是如何发挥作用的。”

CRISPR-Cas9 是最广泛使用的基因操作工具。该技术使用一种重新调整用途的酶来与 DNA 结合，从而允许在基因组中的特定位置进行改变。

科学家们已经知道镁在这一过程中发挥了作用，但尚不清楚具体如何发挥作用，也没有人能够近距离拍摄该过程的延时图像。通过利用较慢版本的 CRISPR-Cas9，这项研究表明催化反应中心的镁离子是近乎同步切割的关键。

“我认为在科学领域很多时候，即使你可以推断出一些东西，你也需要证据，”李说。“例如，对于镁，每个人都知道你需要它，但没有看到它的实际作用，这不是完整的科学，对吗?你对它的运作方式没有同等程度的理解。”

研究人员使用佛罗里达州立大学生物科学成像资源中心的冷冻电子显微镜 来观察 CRISPR-Cas9 酶内工作的金属离子和其他原子，该显微镜可以生成接近原子分辨率的图像。这使他们能够收集数据，这些数据不仅证实了他们早期的假设，而且还导致了关于镁如何协调双链断裂的惊人发现。

CRISPR 于 2013 年在基因编辑领域首次亮相，从那时起，科学家们一直致力于提高其可靠性并将其适用性扩展到各种不同的生物体和细胞类型。

“通过改变活性位点——切割目标和非目标 DNA 链的‘剪刀’组——我们可以改变 Cas9 使用替代金属进行切割的能力，”博士生兼论文合著者 Mitchell Roth 说。“CRISPR 还有很多值得探索的地方。”

了解每种元素如何影响酶的功能使科学家能够深入了解哪些研究途径可能会产生新的知识和用途。Li 和她的团队正计划进一步研究如何将 CRISPR-Cas9 改造用于其他目的。

这篇论文的共同作者包括佛罗里达州立大学前博士后研究员 Anuska Das 和 Jay Rai、博士研究生 Yuerong Shu、本科生 Megan L. Medina 和前本科生 Mackenzie R. Barakat。