Introduction Bacteria and archaea defend themselves against invasive DNA using adaptive immune systems comprising CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) loci and CRISPR-associated (Cas) genes. In association with Cas proteins, small CRISPR RNAs (crRNAs) guide the detection and cleavage of complementary DNA sequences. Type II CRISPR systems employ the RNA-guided endonuclease Cas9 to recognize and cleave double-stranded DNA (dsDNA) targets using conserved RuvC and HNH nuclease domains. Cas9-mediated cleavage is strictly dependent on the presence of a protospacer adjacent motif (PAM) in the target DNA. Recently, the biochemical properties of Cas9–guide RNA complexes have been harnessed for various genetic engineering applications and RNA-guided transcriptional control. Despite these ongoing successes, the structural basis for guide RNA recognition and DNA targeting by Cas9 is still unknown. Rationale To compare the architectures and domain organization of diverse Cas9 proteins, the atomic structures of Cas9 from Streptococcus pyogenes (SpyCas) and Actinomyces naeslundii (AnaCas9) were determined by x-ray crystallography. Crosslinking of target DNA containing 5-bromodeoxyuridines was conducted to identify PAM-interacting regions in SpyCas9. To test functional interactions with nucleic acid ligands, structure-based mutant SpyCas9 proteins were assayed for endonuclease activity with radiolabeled oligonucleotide dsDNA targets, and target DNA binding was monitored by electrophoretic mobility shift assays. To compare conformations of Cas9 in different states of nucleic acid binding, three-dimensional reconstructions of apo-SpyCas9, SpyCas9:RNA, and SpyCas9:RNA:DNA were obtained by negative-stain single-particle electron microscopy. Guide RNA and target DNA positions were determined with streptavidin labeling. Exonuclease protection assays were carried out to determine the extent of Cas9–target DNA interactions. Results The 2.6 Å–resolution structure of apo-SpyCas9 reveals a bilobed architecture comprising a nuclease domain lobe and an α-helical lobe. Both lobes contain conserved clefts that may function in nucleic acid binding. Photocrosslinking experiments show that the PAM in target DNA is engaged by two tryptophan-containing flexible loops, and mutations of both loops impair target DNA binding and cleavage. The 2.2 Å–resolution crystal structure of AnaCas9 reveals the conserved structural core shared by all Cas9 enzyme subtypes, and both SpyCas9 and AnaCas9 adopt autoinhibited conformations in their apo forms. The electron microscopic (EM) reconstructions of SpyCas9:RNA and SpyCas9:RNA:DNA complexes reveal that guide RNA binding results in a conformational rearrangement and formation of a central channel for target DNA binding. Site-specific labeling of guide RNA and target DNA define the orientations of nucleic acids in the target-bound complex. Conclusion The SpyCas9 and AnaCas9 structures define the molecular architecture of the Cas9 enzyme family in which a conserved structural core encompasses the two nuclease domains responsible for DNA cleavage, while structurally divergent regions, including the PAM recognition loops, are likely responsible for distinct guide RNA and PAM specificities. Cas9 enzymes adopt a catalytically inactive conformation in the apo state, necessitating structural activation for DNA recognition and cleavage. Our EM analysis shows that by triggering a conformational rearrangement in Cas9, the guide RNA acts as a critical determinant of target DNA binding.

No Dicer for Me MicroRNAs (miRNAs) are small noncoding RNAs found in most eukaryotes. Most are processed from primary transcripts in the nucleus by the microprocessor enzyme complex, which includes the nuclease Drosha, with a small number being generated by the messenger RNA splicing machinery. All pre-miRNAs are then exported into the cytoplasm where they are cleaved further by a second nuclease, Dicer, into the mature, functional miRNA. Cifuentes et al. (p. 1694 , published online 6 May), now show that in a Dicer mutant fish at least one miRNA, miR-451, is still formed from pre-miR-451. The processing of pre-miR-451 requires the slicing activity of another protein in the miRNA pathway, Argonaute2. The unusual secondary structure of the pre-miR-451 determines its noncanonical processing pathway, which suggests that other miRNAs might also be processed in this way.

CRISPR Cas9 molecular scissors The CRISPR-associated (Cas) protein Cas9 is a molecular scissor for cutting DNA. The first step in the cutting reaction is the RNA-guided unwinding of the DNA double helix. Jiang et al. determined the structures of Cas9 bound to DNA unwound by the targeting RNA (see the Perspective by Chen and Bailey). Cas9 bends the DNA to allow guide RNA infiltration into the double helix. The two separated DNA strands, one bound to RNA, are subsequently positioned in the dual active sites of the protein for cutting. Science , this issue p. 867 ; see also p. 811

Parasitic nematodes (roundworms) and platyhelminths (flatworms) cause debilitating chronic infections of humans and animals, decimate crop production and are a major impediment to socioeconomic development. Here we report a broad comparative study of 81 genomes of parasitic and non-parasitic worms. We have identified gene family births and hundreds of expanded gene families at key nodes in the phylogeny that are relevant to parasitism. Examples include gene families that modulate host immune responses, enable parasite migration though host tissues or allow the parasite to feed. We reveal extensive lineage-specific differences in core metabolism and protein families historically targeted for drug development. From an in silico screen, we have identified and prioritized new potential drug targets and compounds for testing. This comparative genomics resource provides a much-needed boost for the research community to understand and combat parasitic worms. Comparative study of 81 genomes of parasitic and non-parasitic worms identifies gene family births and expanded gene families at key nodes in the phylogeny that are relevant to parasitism and proteins historically targeted for drug development.

Significance Bacteria have evolved clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs) together with CRISPR-associated (Cas) proteins to defend themselves against viral infection. RNAs derived from the CRISPR locus assemble with Cas proteins into programmable DNA-targeting complexes that destroy DNA molecules complementary to the guide RNA. In type II CRISPR-Cas systems, the Cas9 protein binds and cleaves target DNA sequences at sites complementary to a 20-nt guide RNA sequence. This activity has been harnessed for a wide range of genome-engineering applications. This study explores the structural features that enable Cas9 to bind and cleave target DNAs, and the results suggest a way of regulating Cas9 by physical separation of the catalytic domains from the rest of the protein scaffold.

In bacteria, the clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-associated (Cas) DNA-targeting complex Cascade (CRISPR-associated complex for antiviral defense) uses CRISPR RNA (crRNA) guides to bind complementary DNA targets at sites adjacent to a trinucleotide signature sequence called the protospacer adjacent motif (PAM). The Cascade complex then recruits Cas3, a nuclease-helicase that catalyzes unwinding and cleavage of foreign double-stranded DNA (dsDNA) bearing a sequence matching that of the crRNA. Cascade comprises the CasA-E proteins and one crRNA, forming a structure that binds and unwinds dsDNA to form an R loop in which the target strand of the DNA base pairs with the 32-nt RNA guide sequence. Single-particle electron microscopy reconstructions of dsDNA-bound Cascade with and without Cas3 reveal that Cascade positions the PAM-proximal end of the DNA duplex at the CasA subunit and near the site of Cas3 association. The finding that the DNA target and Cas3 colocalize with CasA implicates this subunit in a key target-validation step during DNA interference. We show biochemically that base pairing of the PAM region is unnecessary for target binding but critical for Cas3-mediated degradation. In addition, the L1 loop of CasA, previously implicated in PAM recognition, is essential for Cas3 activation following target binding by Cascade. Together, these data show that the CasA subunit of Cascade functions as an essential partner of Cas3 by recognizing DNA target sites and positioning Cas3 adjacent to the PAM to ensure cleavage.

Abstract CRISPR–Cas9 as a programmable genome editing tool is hindered by off-target DNA cleavage 1–4 , and the underlying mechanisms by which Cas9 recognizes mismatches are poorly understood 5–7 . Although Cas9 variants with greater discrimination against mismatches have been designed 8–10 , these suffer from substantially reduced rates of on-target DNA cleavage 5,11 . Here we used kinetics-guided cryo-electron microscopy to determine the structure of Cas9 at different stages of mismatch cleavage. We observed a distinct, linear conformation of the guide RNA–DNA duplex formed in the presence of mismatches, which prevents Cas9 activation. Although the canonical kinked guide RNA–DNA duplex conformation facilitates DNA cleavage, we observe that substrates that contain mismatches distal to the protospacer adjacent motif are stabilized by reorganization of a loop in the RuvC domain. Mutagenesis of mismatch-stabilizing residues reduces off-target DNA cleavage but maintains rapid on-target DNA cleavage. By targeting regions that are exclusively involved in mismatch tolerance, we provide a proof of concept for the design of next-generation high-fidelity Cas9 variants.

Abstract Intraflagellar transport (IFT) is a conserved process of cargo transport in cilia that is essential for development and homeostasis in organisms ranging from algae to vertebrates. In humans, variants in genes encoding subunits of the cargo-adapting IFT-A and IFT-B protein complexes are a common cause of genetic diseases known as ciliopathies. While recent progress has been made in determining the atomic structure of IFT-B, little is known of the structural biology of IFT-A. Here, we combined chemical cross-linking mass spectrometry and cryo-electron tomography with AlphaFold2-based prediction of both protein structures and interaction interfaces to model the overall architecture of the monomeric six-subunit IFT-A complex, as well as its polymeric assembly within cilia. We define monomer-monomer contacts and membrane-associated regions available for association with transported cargo, and we also use this model to provide insights into the pleiotropic nature of human ciliopathy-associated genetic variants in genes encoding IFT-A subunits. Our work demonstrates the power of integration of experimental and computational strategies both for multi-protein structure determination and for understanding the etiology of human genetic disease. Summary The 3D structure of the six-subunit complex and its polymeric assembly gives insights into cargo transport in cilia and how specific mutations in these genes lead to ciliopathy birth defects.