倫敦時間2017年11月9日，國際知名學術期刊 《自然·通訊》(Nature Communications) 在線發表了万博英超狼队网官方网 、遺傳工程國家重點實驗室黃強課題組與盧大儒課題組合作的關於基因編輯係統CRISPR-Cas9的研究成果。該成果用冷凍電鏡單顆粒三維重構方法解析了CRISPR-Cas9的DNA剪切活性結構，在CRISPR-Cas9的DNA剪切機理研究方麵取得了重要進展。
目前，基於細菌獲得性免疫係統發展出的CRISPR-Cas9技術已成為革命性的基因編輯工具，這一“基因魔剪”可以方便地對基因組DNA進行高效、特異性的切割編輯，在生物醫學領域有著巨大的應用潛力。為了解該係統的DNA剪切機理、指導係統的優化，過去幾年眾研究機構陸續解析了多個“Cas9-sgRNA-DNA靶鏈”的三元複合物晶體結構。然而，這些複合物結構並沒有完全揭示出真正的DNA剪切活性構象，人們對CRISPR-Cas9如何通過HNH與RuvC核酸酶域切割DNA單鏈的分子機製還很不明確。因此，獲得CRISPR-Cas9的剪切活性結構成為了揭示該係統DNA剪切機理的關鍵。
針對上述研究問題，黃強與盧大儒研究團隊早在2014年就考慮采用冷凍電鏡方法來解決。他們首先構建了釀膿鏈球菌Cas9酶 (SpCas9)、sgRNA和DNA的三元複合物，然後用冷凍電鏡單顆粒三維重構方法解析該複合物的溶液結構，獲得了一個5.2 埃分辨率的冷凍電鏡結構 (圖1)。複合物結構的原子模型顯示，在已解析的所有結構中，該複合物的HNH酶活性中心最接近DNA鏈的切割位點；分子動力學模擬及點突變實驗表明，該複合物的HNH和RuvC核酸酶活性中心的催化氨基酸可以與DNA解旋單鏈形成切割反應所需構象。因此，研究獲得的複合物結構是CRISPR-Cas9的DNA剪切激活構象，為全麵揭示剪切機理提供了關鍵的活性結構信息，並為應用蛋白質工程技術優化該係統、降低其脫靶效應提供了重要的結構生物化學基礎。目前，研究團隊正在所得結構的指導下，應用蛋白質設計方法對CRISPR-Cas9係統進行優化，以開發脫靶效應低、編輯效率高的新型基因編輯係統。
圖1. SpCas9-sgRNA-DNA的複合物結構
博士研究生懷聰和碩士研究生李幹為論文的並列第一作者，黃強教授與盧大儒教授為並列通訊作者。研究團隊利用國家蛋白質科學中心 (上海) 的電鏡平台采集了冷凍電鏡圖像，並主要使用課題組自己建立的電鏡圖像分析與分子建模平台完成了三維重構和原子模型構建工作。相關研究獲得了國家自然科學基金等項目支持。