The electronic structure of genome editors from the first principles
The electronic structure of genome editors from the first principles
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从第一原理看基因组编辑器的电子结构
DOI：
10.1088/2516-1075/acb410
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发表时间：
2023
影响因子：
2.6
通讯作者：
Palermo, Giulia
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Nierzwicki, Łukasz;Ahsan, Mohd;Palermo, Giulia
Ab-initio分子动力学能够从第一原理开始跟踪生物系统的动力学，描述电子结构，并提供以独特分辨率“观察”生化过程演变的机会，超越了最先进的实验技术的能力。本文报道了第一性原理（ab-initio）分子动力学（MD）在CRISPR-Cas9基因组编辑革命中的作用，实现了对酶功能的深刻理解，并为酶工程提供了有价值的见解。我们介绍了方法并解释了使用ab-initio MD模拟来建立Cas9酶RuvC结构域DNA切割的双金属依赖机制，以及第二个催化结构域HNH如何在单个金属离子的帮助下切割目标DNA。详细描述了ab-initio MD如何与自由能方法（即热力学集成和元动力学）相结合来破坏和形成化学键，并解释了使用这些方法来确定CRISPR-Cas9中的化学景观和建立催化机制。讨论了经典方法的关键作用，解释了恒定pH MD模拟的理论和应用，用于准确预测催化残基的质子化状态。总的来说，第一性原理方法揭示了Cas9酶的电子结构和催化机制，为设计具有更高催化效率或活性可控的基因组编辑工具提供了有价值的见解。
Ab-initio molecular dynamics enables following the dynamics of biological systems from the first principles, describing the electronic structure and offering the opportunity to" watch" the evolution of biochemical processes with unique resolution, beyond the capabilities of state-of-the-art experimental techniques. This article reports the role of first-principles (ab-initio) molecular dynamics (MD) in the CRISPR-Cas9 genome editing revolution, achieving a profound understanding of the enzymatic function and offering valuable insights for enzyme engineering. We introduce the methodologies and explain the use of ab-initio MD simulations to establish the two-metal dependent mechanism of DNA cleavage in the RuvC domain of the Cas9 enzyme, and how a second catalytic domain, HNH, cleaves the target DNA with the aid of a single metal ion. A detailed description of how ab-initio MD is combined with free-energy methods—ie, thermodynamic integration and metadynamics—to break and form chemical bonds is given, explaining the use of these methods to determine the chemical landscape and establish the catalytic mechanism in CRISPR-Cas9. The critical role of classical methods is also discussed, explaining theory and application of constant pH MD simulations, used to accurately predict the catalytic residues' protonation states. Overall, first-principles methods are shown to unravel the electronic structure and reveal the catalytic mechanism of the Cas9 enzyme, providing valuable insights that can serve for the design of genome editing tools with improved catalytic efficiency or controllable activity.
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影响因子：
56.9
作者：
Jiang, Fuguo;Zhou, Kaihong;Doudna, Jennifer A.
通讯作者：
Doudna, Jennifer A.
影响因子：
56.9
作者：
Jinek, Martin;Chylinski, Krzysztof;Charpentier, Emmanuelle
通讯作者：
Charpentier, Emmanuelle
DOI：
--
发表时间：
2018
期刊：
Biochimica et biophysica acta
影响因子：
--
作者：
M. Jinek;Krzysztof Chylinski;Ines Fonfara;Michael Hauer;A. Jennifer;Doudna;Emmanuelle Charpentier
通讯作者：
M. Jinek;Krzysztof Chylinski;Ines Fonfara;Michael Hauer;A. Jennifer;Doudna;Emmanuelle Charpentier
影响因子：
5
作者：
Mitchell, Brandon P.;Hsu, Rohaine, V;Palermo, Giulia
通讯作者：
Palermo, Giulia
CAS9非目标活动的结构基础。
影响因子：
64.5
作者：
Pacesa M;Lin CH;Cléry A;Saha A;Arantes PR;Bargsten K;Irby MJ;Allain FH;Palermo G;Cameron P;Donohoue PD;Jinek M
通讯作者：
Jinek M