揭示APOBEC3介導的DNA修復在CRISPR／Cas9基因編輯中突變新機制

　　中國科學院上海生命科學研究院（人口健康領域）中科院-馬普學會計算生物學伙伴研究所楊力研究組與上海科技大學陳佳研究組、南京醫科大學沈彬研究組合作研究揭示了胞嘧啶脫氨酶（APOBEC）在CRISPR/Cas9引發的DNA斷裂修復過程中產生突變的新機制，為進一步提高基因組編輯保真度提供了新思路。

　　CRISPR/Cas9是迄今為止最為高效便捷的基因組編輯技術。雖然其在生命科學基礎研究和生物技術開發等領域被廣泛應用，并在臨床研究中顯示出了極大潛力，但由于編輯過程中存在的非靶向突變以及基因治療的不可逆性，CRISPR/Cas9技術的精確性問題一直是科學界的焦點所在。由于APOBEC能夠在DNA單鏈斷裂修復過程中結合單鏈DNA并造成隨機突變，而單鏈核酸（如單鏈寡聚核苷酸、基因組單鏈DNA）在CRISPR/Cas9引發的DNA修復過程中廣泛存在。因此，評估APOBEC能否在CRISPR/Cas9引發的基因組DNA修復過程中產生突變，對于改進CRISPR/Cas9編輯技術的精確性以及DNA損傷修復等研究都具有重要意義。在該項研究中，研究人員證實了APOBEC能夠作用于單鏈寡聚核苷酸的胞嘧啶位點，并通過CRISPR/Cas9引發的同源重組修復過程，在基因組DNA的同源胞嘧啶位點處產生堿基替換突變。同時，研究人員還發現APOBEC能夠在由Cas9切刻酶引起的基因組DNA單鏈斷裂修復過程中，激活堿基切除修復通路并產生DNA雙鏈斷裂，進而產生非靶向的隨機堿基插入或缺失（insertions/deletions, indels）。基于上述機制研究，研究人員提出了利用雙鏈寡聚核苷酸或雙鏈質粒DNA作為修復模板，抑制內源APOBEC的策略來提高CRISPR/Cas9編輯保真度和精確性的方法。

　　楊力研究組長期從事計算生物學和組學研究。在此項合作研究中，研究人員利用計算和實驗相結合的方法體系，闡明了APOBEC在CRISPR/Cas9引起的基因組DNA斷裂修復過程中產生突變的分子機制，并據此成功與陳佳研究組合作開發出了增強型的基因組堿基編輯系統（Wang et al.,2017,Cell Research），實現了更高精度和更高效率的堿基編輯。

　　相關研究成果以APOBEC3 induces mutations during repair of CRISPR-Cas9-generated DNA breaks為題，在線發表于《自然—結構與分子生物學》。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、上海市科學技術委員會、上海科技大學大科研啟動基金的資助。

APOBEC3介導的DNA修復在CRISPR/Cas9基因編輯過程中產生突變的新機制。（a，APOBEC在以單鏈寡聚核苷酸為修復模版的同源重組修復過程中產生堿基替換突變；b，APOBEC在Cas9切刻酶D10A引起的單鏈斷裂修復過程中產生indel突變）