Forskere fanger billeder i høj opløsning af magnesiumioner, der interagerer med CRISPR-genredigeringsenzym

Genredigeringsteknologien kendt som CRISPR har ført til revolutionerende ændringer inden for landbrug, sundhedsforskning og mere.

I forskning offentliggjort i Nature Catalysis , producerede forskere ved Florida State University de første højopløselige, tidsforskudte billeder, der viser magnesiumioner, der interagerer med CRISPR-Cas9-enzymet, mens det skærer DNA-strenge, hvilket giver klare beviser for, at magnesium spiller en rolle i både kemisk bindingsbrud og næsten- samtidig DNA-skæring.

"Hvis du skærer gener, ønsker du ikke kun at have en DNA-streng ødelagt, for cellen kan nemt reparere den uden at redigere. Du vil have, at begge strenge skal brydes," sagde Hong Li, professor ved Institut for Kemi og biokemi og direktør for Institut for Molekylær Biofysik. "Du har brug for to snit, der skyder tæt sammen. Magnesium spiller en rolle i det, og vi så præcis, hvordan det virker."

CRISPR-Cas9 er det mest udbredte værktøj til genetisk manipulation. Teknologien bruger et genbrugt enzym til at binde til DNA, hvilket muliggør ændringer på bestemte steder i et genom.

Forskere har vidst, at magnesium spiller en rolle i denne proces, men det var uklart præcist hvordan, og ingen havde været i stand til at fange tidsforløbne billeder af processen tæt på. Ved at udnytte en langsommere version af CRISPR-Cas9 viste denne forskning, at magnesiumioner i centrum af katalysereaktionen er nøglen til næsten samtidig skæring.

"Jeg tror mange gange i videnskaben, selvom du kan udlede noget, vil du gerne have beviset," sagde Li. "For eksempel, med magnesium ved alle, at du har brug for det, men ikke at se det i aktion, det er ikke fuldstændig videnskab, vel? Du har ikke samme niveau af forståelse for, hvordan det fungerer."

Forskerne brugte kryo-elektronmikroskopet på FSU's Biological Science Imaging Resource, som kan producere billeder med nær-atomisk opløsning, til at observere metalioner og andre atomer i arbejde i CRISPR-Cas9 enzymet. Det gjorde det muligt for dem at indsamle data, der ikke kun bekræftede deres tidligere hypoteser, men også førte til den overraskende opdagelse om, hvordan magnesium koordinerer dobbeltstrengede brud.

CRISPR fik sin debut inden for genredigering i 2013, og siden da har videnskabsmænd arbejdet på at øge dets pålidelighed og udvide dets anvendelighed til en række forskellige organismer og celletyper.

"Ved at ændre de aktive steder - sættene af 'sakse', der skærer mål- og ikke-mål-DNA-strenge - kan vi påvirke Cas9's evne til at bruge alternative metaller til at skære," sagde doktorgradskandidat og papirmedforfatter Mitchell Roth. "Der er stadig meget at udforske med CRISPR."

At forstå, hvordan hvert element påvirker enzymets funktion, giver forskerne indsigt i, hvilke muligheder for forskning, der kan give ny viden og anvendelser. Li og hendes team planlægger yderligere forskning for at undersøge, hvordan CRISPR-Cas9 kan ombygges til andre formål.

Medforfattere på dette papir var tidligere postdoktorale forskere Anuska Das og Jay Rai, doktorgradskandidat Yuerong Shu, bachelorstuderende Megan L. Medina og tidligere bachelorstuderende Mackenzie R. Barakat, alle fra FSU.

Flere oplysninger: Anuska Das et al., Koblede katalytiske tilstande og metalkoordinationens rolle i Cas9, Nature Catalysis (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01031-1

Journaloplysninger: Naturkatalyse

Leveret af Florida State University