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Molecular Dynamics Reveals a DNA-Induced Dynamic Switch Triggering Activation of CRISPR-Cas12a

清脆的 核酸酶 计算生物学 Cas9 基因组编辑 DNA 核酸 生物 功能(生物学) 引导RNA 基因组 分子动力学 生物物理学 化学 遗传学 基因 计算化学
作者
Aakash Saha,Pablo R. Arantes,Rohaine V. Hsu,Yogesh B. Narkhede,Martin Jínek,Giulia Palermo
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:60 (12): 6427-6437 被引量:48
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.0c00929
摘要

CRISPR-Cas12a is a genome-editing system, recently also harnessed for nucleic acid detection, which is promising for the diagnosis of the SARS-CoV-2 coronavirus through the DETECTR technology. Here, a collective ensemble of multimicrosecond molecular dynamics characterizes the key dynamic determinants allowing nucleic acid processing in CRISPR-Cas12a. We show that DNA binding induces a switch in the conformational dynamics of Cas12a, which results in the activation of the peripheral REC2 and Nuc domains to enable cleavage of nucleic acids. The simulations reveal that large-amplitude motions of the Nuc domain could favor the conformational activation of the system toward DNA cleavages. In this process, the REC lobe plays a critical role. Accordingly, the joint dynamics of REC and Nuc shows the tendency to prime the conformational transition of the DNA target strand toward the catalytic site. Most notably, the highly coupled dynamics of the REC2 region and Nuc domain suggests that REC2 could act as a regulator of the Nuc function, similar to what was observed previously for the HNH domain in the CRISPR-associated nuclease Cas9. These mutual domain dynamics could be critical for the nonspecific binding of DNA and thereby for the underlying mechanistic functioning of the DETECTR technology. Considering that REC is a key determinant in the system's specificity, our findings provide a rational basis for future biophysical studies aimed at characterizing its function in CRISPR-Cas12a. Overall, our outcomes advance our mechanistic understanding of CRISPR-Cas12a and provide grounds for novel engineering efforts to improve genome editing and viral detection.

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