The CRISPR-associated endonuclease Cas9 can be targeted to specific genomic loci by single guide RNAs (sgRNAs). Here, we report the crystal structure of Streptococcus pyogenes Cas9 in complex with sgRNA and its target DNA at 2.5 Å resolution. The structure revealed a bilobed architecture composed of target recognition and nuclease lobes, accommodating the sgRNA:DNA heteroduplex in a positively charged groove at their interface. Whereas the recognition lobe is essential for binding sgRNA and DNA, the nuclease lobe contains the HNH and RuvC nuclease domains, which are properly positioned for cleavage of the complementary and noncomplementary strands of the target DNA, respectively. The nuclease lobe also contains a carboxyl-terminal domain responsible for the interaction with the protospacer adjacent motif (PAM). This high-resolution structure and accompanying functional analyses have revealed the molecular mechanism of RNA-guided DNA targeting by Cas9, thus paving the way for the rational design of new, versatile genome-editing technologies.

Epidermal growth factor (EGF) regulates cell proliferation and differentiation by binding to the EGF receptor (EGFR) extracellular region, comprising domains I-IV, with the resultant dimerization of the receptor tyrosine kinase. In this study, the crystal structure of a 2:2 complex of human EGF and the EGFR extracellular region has been determined at 3.3 A resolution. EGFR domains I-III are arranged in a C shape, and EGF is docked between domains I and III. The 1:1 EGF*EGFR complex dimerizes through a direct receptor*receptor interaction, in which a protruding beta-hairpin arm of each domain II holds the body of the other. The unique "receptor-mediated dimerization" was verified by EGFR mutagenesis.

Expanding the targeting space of Cas9 CRISPR-Cas9 associates with a guide RNA to target and cleave a specific DNA site next to a protospacer adjacent motif (PAM). Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9), the one most often used for genome editing, only recognizes the NGG sequence (where N is any nucleobase) as the PAM, which restricts regions in the genome that can be targeted. To address this limitation, Nishimasu et al. created a SpCas9 variant that recognizes NG rather than NGG. The SpCas9-NG variant increased the targeting range, had a specificity similar to that of the wild-type enzyme, and could be used with a base editor. Thus, SpCas9-NG is a powerful addition to the CRISPR-Cas9 genome engineering toolbox and will be useful in a broad range of applications, from basic research to clinical therapeutics. Science , this issue p. 1259

Channelrhodopsins (ChRs) are light-gated cation channels derived from algae that have shown experimental utility in optogenetics; for example, neurons expressing ChRs can be optically controlled with high temporal precision within systems as complex as freely moving mammals. Although ChRs have been broadly applied to neuroscience research, little is known about the molecular mechanisms by which these unusual and powerful proteins operate. Here we present the crystal structure of a ChR (a C1C2 chimaera between ChR1 and ChR2 from Chlamydomonas reinhardtii) at 2.3 Å resolution. The structure reveals the essential molecular architecture of ChRs, including the retinal-binding pocket and cation conduction pathway. This integration of structural and electrophysiological analyses provides insight into the molecular basis for the remarkable function of ChRs, and paves the way for the precise and principled design of ChR variants with novel properties.

The RNA-guided DNA endonuclease Cas9 cleaves double-stranded DNA targets with a protospacer adjacent motif (PAM) and complementarity to the guide RNA. Recently, we harnessed Staphylococcus aureus Cas9 (SaCas9), which is significantly smaller than Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9), to facilitate efficient in vivo genome editing. Here, we report the crystal structures of SaCas9 in complex with a single guide RNA (sgRNA) and its double-stranded DNA targets, containing the 5′-TTGAAT-3′ PAM and the 5′-TTGGGT-3′ PAM, at 2.6 and 2.7 Å resolutions, respectively. The structures revealed the mechanism of the relaxed recognition of the 5′-NNGRRT-3′ PAM by SaCas9. A structural comparison of SaCas9 with SpCas9 highlighted both structural conservation and divergence, explaining their distinct PAM specificities and orthologous sgRNA recognition. Finally, we applied the structural information about this minimal Cas9 to rationally design compact transcriptional activators and inducible nucleases, to further expand the CRISPR-Cas9 genome editing toolbox.

The RNA-guided endonuclease Cas9 cleaves double-stranded DNA targets complementary to the guide RNA and has been applied to programmable genome editing. Cas9-mediated cleavage requires a protospacer adjacent motif (PAM) juxtaposed with the DNA target sequence, thus constricting the range of targetable sites. Here, we report the 1.7 Å resolution crystal structures of Cas9 from Francisella novicida (FnCas9), one of the largest Cas9 orthologs, in complex with a guide RNA and its PAM-containing DNA targets. A structural comparison of FnCas9 with other Cas9 orthologs revealed striking conserved and divergent features among distantly related CRISPR-Cas9 systems. We found that FnCas9 recognizes the 5′-NGG-3′ PAM, and used the structural information to create a variant that can recognize the more relaxed 5′-YG-3′ PAM. Furthermore, we demonstrated that the FnCas9-ribonucleoprotein complex can be microinjected into mouse zygotes to edit endogenous sites with the 5′-YG-3′ PAM, thus expanding the target space of the CRISPR-Cas9 toolbox.

How Tight? In metazoans, sheets of epithelial cells separate different tissue spaces and control their composition. Tight junctions are cell-cell adhesion structures in these cell sheets that form a seal between cells but also provide some selective permeability to ions and small molecules. Claudins are the main constituents of tight junctions, and mutations in claudins cause inherited human disorders involving the disruption of ionic balance. Suzuki et al. (p. 304 ) report the structure of mouse claudin-15 at 2.4 angstrom resolution, which shows an extracellular β-sheet domain anchored to a transmembrane four-helix bundle. The electrostatic distribution on the claudin surface reveals a negatively charged groove in the extracellular domain that may provide a pathway for positive ions.

The L-type amino acid transporter 1 (LAT1) transports large neutral amino acids and drugs across the plasma membrane and is crucial for nutrient uptake, brain drug delivery and tumor growth. LAT1 is a unique solute carrier that forms a disulfide-linked heterodimer with the cell-surface glycoprotein CD98 heavy chain (CD98hc), but the mechanisms of its molecular assembly and amino acid transport are poorly understood. Here we report the cryo-EM structure of the human LAT1-CD98hc heterodimer at 3.4 Å resolution, revealing the hitherto unprecedented architecture of a solute carrier-glycoprotein heterocomplex. LAT1 features a canonical LeuT-fold while exhibiting an unusual loop structure on transmembrane helix 6, creating an extended cavity to accommodate bulky hydrophobic amino acids and drugs. CD98hc engages with LAT1 through multiple interactions, not only in the extracellular and transmembrane domains but also in the interdomain linker. The heterodimer interface features multiple sterol molecules, corroborating previous biochemical data on the role of cholesterols in heterodimer stabilization. We also visualized the binding modes of two anti-CD98 antibodies and show that they recognize distinct, multiple epitopes on CD98hc but not its glycans, explaining their robust reactivities despite the glycan heterogeneity. Furthermore, we mapped disease-causing mutations onto the structure and homology models, which rationalized some of the phenotypes of SLC3- and SLC7-related congenital disorders. Together, these results shed light on the principles of the structural assembly between a glycoprotein and a solute carrier, and provide a template for improving preclinical drugs and therapeutic antibodies targeting LAT1 and CD98.

Maintenance of cell volume against osmotic change is crucial for proper cell functions, such as cell proliferation and migration. The leucine-rich repeat-containing 8 (LRRC8) proteins are anion selective channels, and were recently identified as pore components of the volume-regulated anion channels (VRACs), which extrude anions to decrease the cell volume upon cell-swelling. Here, we present the human LRRC8A structure, determined by a single-particle cryo-electron microscopy analysis. The sea anemone-like structure represents a trimer of dimers assembly, rather than a symmetrical hexameric assembly. The four-spanning transmembrane region has a gap junction channel-like membrane topology, while the LRR region containing 15 leucine-rich repeats forms a long twisted arc. The channel pore is along the central axis and constricted on the extracellular side, where the highly conserved polar and charged residues at the tip of the extracellular helix contribute to the anion and other osmolyte permeability. Comparing the two structural populations facilitated the identification of both compact and relaxed conformations, suggesting that the LRR region is flexible and mobile with rigid-body motions, which might be implicated in structural transitions upon pore opening. Overall, our structure provides a framework for understanding the molecular mechanisms of this unique class of ion channels.