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Nature子刊:浙江大学陈佳教授与合作者揭示基因编辑过程中产生突变的新机制

摘要 : 2017年12月12日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Structural & Molecular Biology》杂志在线发表了上海科技大学生命学院陈佳教授与中国科学院-马普计算生物学研究所研究员、生命学院特聘教授杨力及南京医科大学沈彬教授合作的一篇研究论文

2017年12月12日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Structural & Molecular Biology》杂志在线发表了上海科技大学生命学院陈佳教授与中国科学院-马普计算生物学研究所研究员、生命学院特聘教授杨力及南京医科大学沈彬教授合作的一篇研究论文,研究共同揭示了胞嘧啶脱氨酶(APOBEC)在CRISPR/Cas9引发的DNA断裂修复过程中产生突变的新机制,并为进一步提高基因组编辑保真度提供了新思路。相关成果题为“APOBEC3 induces mutations during repair of CRISPR-Cas9-generated DNA breaks”。陈佳研究组2014级硕博连读研究生雷丽群、南京医科大学/温州医科大学联合培养研究生陈红全、杨力研究组研究助理薛尉等为共同第一作者,陈佳、杨力、沈彬为共同通讯作者。

CRISPR/Cas9是迄今为止最便捷高效的基因组编辑技术。虽然其在生命科学基础研究和生物技术开发等领域被广泛应用,并在临床研究中也显示出了极大的潜力,但由于编辑过程中存在的非靶向突变以及基因治疗的不可逆性,CRISPR/Cas9技术的精确性问题一直是科学界关注的焦点。陈佳教授的前期工作发现了APOBEC能够在DNA单链断裂修复过程中结合单链DNA并造成随机突变(Chen et al., 2014,eLife),而单链核酸(如单链寡聚核苷酸和基因组单链DNA等),在CRISPR/Cas9引发的DNA修复过程中广泛存在。因此,评估APOBEC能否在CRISPR/Cas9引发的基因组DNA修复过程中产生突变,对于改进CRISPR/Cas9编辑技术的精确性以及DNA损伤修复等研究都具有重要意义。

在该项工作中,研究人员证实了APOBEC能够作用于单链寡聚核苷酸的胞嘧啶位点,并通过CRISPR/Cas9引发的同源重组修复过程,在基因组DNA的同源胞嘧啶位点处产生碱基替换突变;同时,研究人员还发现APOBEC能够在由Cas9切刻酶引起的基因组DNA单链断裂修复过程中激活碱基切除修复通路进而产生DNA双链断裂,从而产生非靶向的随机碱基插入或缺失(insertions/deletions, indels)。基于上述机制研究,研究人员提出了利用双链寡聚核苷酸或者双链质粒DNA作为修复模版、以及抑制内源APOBEC的策略来提高CRISPR/Cas9编辑的保真度和精确性。陈佳教授长期从事DNA损伤修复的机制研究,在此项最新的研究中,他阐明了APOBEC在CRISPR/Cas9引起的基因组DNA断裂修复过程中产生突变的分子机制,并据此成功开发出了增强型的基因组碱基编辑系统(Wang et al., 2017,Cell Research),实现了更高精度和更高效率的碱基编辑。

a,APOBEC在以单链寡聚核苷酸为修复模版的同源重组修复过程中产生碱基替换突变。

b,APOBEC在Cas9切刻酶D10A引起的单链断裂修复过程中产生indel突变。

原文链接:

APOBEC3 induces mutations during repair of CRISPR–Cas9-generated DNA breaks

原文摘要:

The APOBEC-AID family of cytidine deaminase prefers single-stranded nucleic acids for cytidine-to-uridine deamination. Single-stranded nucleic acids are commonly involved in the DNA repair system for breaks generated by CRISPR–Cas9. Here, we show in human cells that APOBEC3 can trigger cytidine deamination of single-stranded oligodeoxynucleotides, which ultimately results in base substitution mutations in genomic DNA through homology-directed repair (HDR) of Cas9-generated double-strand breaks. In addition, the APOBEC3-catalyzed deamination in genomic single-stranded DNA formed during the repair of Cas9 nickase-generated single-strand breaks in human cells can be further processed to yield mutations mainly involving insertions or deletions (indels). Both APOBEC3-mediated deamination and DNA-repair proteins play important roles in the generation of these indels. Therefore, optimizing conditions for the repair of CRISPR–Cas9-generated DNA breaks, such as using double-stranded donors in HDR or temporarily suppressing endogenous APOBEC3s, can repress these unwanted mutations in genomic DNA.

来源: Nature Structural & Molecular 浏览次数:0

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