有史以来第一次，科学家们正在努力解决如何提高CRISpR技术的效率 - 一种基因编辑平台，它使用一种名为Cas9的酶来精确切割和编辑活细胞内特定的DNA序列 - 已经捕获了原子级，切割DNA之前和之后酶的三维图像。

这些图像提供了关于酶如何工作的新结构信息，并将帮助研究人员开发能够更有效和精确地改变靶基因的酶的修饰版本。Cas9的图像和见解由它们制成，发表在Nature Structural and Molecular Biology上。

CRISpR是一种基因编辑工具，允许科学家从DNA中切除不需要的基因或遗传物质，或在基因中添加所需的序列以改变其功能或调节其活性。CRISpR使用一种名为Cas9的酶，它像剪刀一样切割特定的DNA序列。一旦在DNA的任一侧进行切割，细胞就会启动修复系统，将DNA链的两端重新连接在一起。

“阻止使用Cas9开发更好的基因编辑工具的主要障碍之一是我们在切割DNA后没有任何酶的图像，并且没有关于这种非常重要的酶经历执行的变化的完整信息。反应，“伊利诺伊大学芝加哥分校生物化学与分子遗传学副教授，该论文的通讯作者Miljan Simonovic说。

早期的Cas9结构图像已经使用X射线晶体学获得，但这种方法具有局限性。为了捕获结晶形式的酶的各种状态，研究人员使用无活性的Cas9(一种不切割DNA的酶)或在不支持DNA切割的条件下形成晶体。这些过程只能在切割之前产生酶的图像。

西蒙诺维奇说：“对调节Cas9活性感兴趣的研究人员或可能工作得更好的工程突变酶只是开始时没有完整的信息，因此进展并不像预期的那么快。”“但现在我们有了更清晰的图像，我们甚至可以看到酶的主要结构域在反应过程中如何移动，这对于进一步探索可能很重要。”

该研究的共同资深作者，不列颠哥伦比亚大学医学教授Sriram Subramaniam表示，能够看到Cas9如何在如此高水平的细节上切割和编辑DNA链是很令人兴奋的。“这些图像为我们提供了宝贵的信息，可以提高基因编辑过程的效率，从而有望在未来更快，更准确地纠正导致疾病的DNA突变。”

Simonovic知道需要一种不同的成像技术才能真正看到Cas9在工作。在过去十年中，低温电子显微镜或低温EM已经因其在接近其自然环境的条件下以高分辨率成像大分子的能力而众所周知。

Simonovic和他的同事使用活性Cas9以及DNA和指导RNA。加入激活酶以进行DNA切割所需的镁，并快速冷冻Cas9复合物并使用cryo-EM成像。最终结果是Cas9捕获在与核酸结合的三种不同结构排列中的快照。最值得注意的是，在三种状态中的两种中，靶DNA被切割但酶仍然与其结合，从而允许以高分辨率观察生化反应序列的最后一步。

在第一种状态下，在切割DNA之前捕获酶，其主要结构域“评估”待切割的序列是否合适。在第二步中，Cas9几乎在DNA切割后立即成像。实际上，酶的活性位点悬停在DNA链的切割之上。并且，在第三种状态下，酶开始向离开切割的DNA移动。

“我们发现了几个关于Cas9如何与DNA相互作用以及它如何运作的新事物。其中一个最有趣的问题是，在反应过程中，几个酶结构域如何协同运动并在有序状态和无序状态之间循环。这种酶的特征是某些结构域是西蒙诺维奇表示，稳定而其他人似乎正处于不同的构造状态之间快速移动之前，之前没有看到或预测过。“这些新信息可用于调节Cas9如何处理靶向DNA，并有助于设计更好的基因组编辑工具。”