Type II and type V CRISPR effector nucleases from a structural biologist's perspective
- PMID: 28132486
Type II and type V CRISPR effector nucleases from a structural biologist's perspective
Abstract
The type II and type V CRISPR effector nucleases Cas9 and Cpf1 are "universal" DNA endonucleases, which can be programmed by an appropriate crRNA or sgRNA strand to cleave almost any DNA duplex at a preselected position (constrained only by short, so-called PAMs). In this review, we briefly introduce CRISPR bacterial adaptive immunity as the biological context in which Cas9 and Cpf1 proteins operate, and then present the structural insights that have been obtained in the last two or three years that illustrate the mode of operation of these proteins. We describe the R-loop structures at the core of the Cas9 and Cpf1 complexes, and the structure of the 5'- or 3'-handles that help anchor the nucleic acid complexes to the proteins in a manner that is independent of the target sequence. Next, we describe the molecular architecture of the Cas9 and Cpf1 proteins. We illustrate how Cas9 and Cpf1 proteins scan double stranded DNA for so-called protospacer associated motifs (PAMs), we explain how the phosphate loop (PLL) and basic helix (BH) promote the separation of target and non-target DNA strands and the formation of hybrids between crRNA or sgRNA and the target strand of DNA. We also describe the current understanding of the catalytic mechanisms of RuvC and HNH domains, and a possible, but still very uncertain catalytic role of the Nuc domain. At the end of the review, we briefly summarize key developments that have initiated the field of genomic engineering using Cas9 or Cpf1 nucleases.
Nukleazy efektorowe Cas9 i Cpf1, będące częścią systemu CRISPR typu II i V, są "uniwersalnymi" endonukleazami DNA, które za pomocą odpowiedniej sekwencji crRNA lub sgRNA mogą zostać zaprogramowane do przecięcia niemal każdego dwuniciowego DNA w określonym miejscu (oflankowanym krótkimi sekwencjami PAM). W niniejszym artykule przeglądowym omówiono bakteryjny system odporności swoistej CRISPR jako naturalny kontekst, w którym działają nukleazy Cas9 i Cpf1, i przedstawiono informacje strukturalne dotyczące działania tych białek uzyskane w ciągu ostatnich 2-3 lat. Opisano także strukturę "pętli R" zlokalizowanych w rdzeniu kompleksów Cas9 i Cpf1 oraz "uchwytów" 5' i 3' biorących udział w kotwiczeniu kompleksów kwasów nukleinowych na białkach w sposób niezależny od sekwencji docelowej. W artykule omówiono również budowę molekularną białek Cas9 i Cpf1, mechanizm skanowania przez nie dwuniciowego DNA w poszukiwaniu sekwencji PAM (ang. protospacer associated motifs), a także sposób rozdzielenia docelowej i niedocelowej nici DNA z udziałem pętli fosforanowej (PLL, phosphate loop) i helisy podstawowej (BH, basic helix) oraz formowanie się hybryd złożonych z crRNA lub sgRNA i docelowej nici DNA. Ponadto, opisano przyjęty obecnie mechanizm działania domen katalitycznych RuvC i HNH oraz możliwą, a jednocześnie wciąż bardzo niepewną, katalityczną rolę domeny Nuc. W końcowej części niniejszego artykułu przeglądowego znajduje się natomiast krótkie podsumowanie kluczowych osiągnięć, które zapoczątkowały zastosowanie nukleaz Cas9 i Cpf1 w inżynierii genomowej.
Keywords: CRISPR; Cas9; Cpf1; HNH domain; RuvC domain; Structural biology.
Similar articles
-
The Conspicuity of CRISPR-Cpf1 System as a Significant Breakthrough in Genome Editing.Curr Microbiol. 2018 Jan;75(1):107-115. doi: 10.1007/s00284-017-1406-8. Epub 2017 Nov 30. Curr Microbiol. 2018. PMID: 29189942 Review.
-
Genome-wide analysis reveals specificities of Cpf1 endonucleases in human cells.Nat Biotechnol. 2016 Aug;34(8):863-8. doi: 10.1038/nbt.3609. Epub 2016 Jun 6. Nat Biotechnol. 2016. PMID: 27272384
-
Genome-wide specificities of CRISPR-Cas Cpf1 nucleases in human cells.Nat Biotechnol. 2016 Aug;34(8):869-74. doi: 10.1038/nbt.3620. Epub 2016 Jun 27. Nat Biotechnol. 2016. PMID: 27347757 Free PMC article.
-
Discovery and Functional Characterization of Diverse Class 2 CRISPR-Cas Systems.Mol Cell. 2015 Nov 5;60(3):385-97. doi: 10.1016/j.molcel.2015.10.008. Epub 2015 Oct 22. Mol Cell. 2015. PMID: 26593719 Free PMC article.
-
Bacterial CRISPR/Cas DNA endonucleases: A revolutionary technology that could dramatically impact viral research and treatment.Virology. 2015 May;479-480:213-20. doi: 10.1016/j.virol.2015.02.024. Epub 2015 Mar 7. Virology. 2015. PMID: 25759096 Free PMC article. Review.
Cited by
-
Target-dependent nickase activities of the CRISPR-Cas nucleases Cpf1 and Cas9.Nat Microbiol. 2019 May;4(5):888-897. doi: 10.1038/s41564-019-0382-0. Epub 2019 Mar 4. Nat Microbiol. 2019. PMID: 30833733 Free PMC article.
-
Active-Site Models of Streptococcus pyogenes Cas9 in DNA Cleavage State.Front Mol Biosci. 2021 Apr 21;8:653262. doi: 10.3389/fmolb.2021.653262. eCollection 2021. Front Mol Biosci. 2021. PMID: 33987202 Free PMC article.
-
Nanotechnology-Based Delivery of CRISPR/Cas9 for Cancer Treatment: A Comprehensive Review.Cells. 2025 Jul 23;14(15):1136. doi: 10.3390/cells14151136. Cells. 2025. PMID: 40801569 Free PMC article. Review.
-
Recent advances in the CRISPR genome editing tool set.Exp Mol Med. 2019 Nov 5;51(11):1-11. doi: 10.1038/s12276-019-0339-7. Exp Mol Med. 2019. PMID: 31685795 Free PMC article. Review.
-
An Update on the Application of CRISPR Technology in Clinical Practice.Mol Biotechnol. 2024 Feb;66(2):179-197. doi: 10.1007/s12033-023-00724-z. Epub 2023 Jun 3. Mol Biotechnol. 2024. PMID: 37269466 Free PMC article. Review.
Publication types
MeSH terms
Substances
LinkOut - more resources
Other Literature Sources
Miscellaneous