12月11日，中國(guó)科學(xué)院－馬普計(jì)算生物學(xué)研究所楊力研究組與上?？萍即髮W(xué)陳佳研究組和南京醫(yī)科大學(xué)沈彬研究組合作研究揭示了胞嘧啶脫氨酶（APOBEC）在CRISPR/Cas9引發(fā)的DNA斷裂修復(fù)過程中產(chǎn)生突變的新機(jī)制，并為進(jìn)一步提高基因組編輯保真度提供了新思路。相關(guān)成果以“APOBEC3 induces mutations during repair of CRISPR-Cas9-generated DNA breaks”為題，在線發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然－結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》（Nature Structural & Molecular Biology）上。
CRISPR/Cas9是迄今為止最為便捷高效的基因組編輯技術(shù)。雖然其在生命科學(xué)基礎(chǔ)研究和生物技術(shù)開發(fā)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，并在臨床研究中也顯示出了極大的潛力，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(shù)的精確性問題一直是科學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。由于APOBEC能夠在DNA單鏈斷裂修復(fù)過程中結(jié)合單鏈DNA并造成隨機(jī)突變，而單鏈核酸（如單鏈寡聚核苷酸和基因組單鏈DNA等）在CRISPR/Cas9引發(fā)的DNA修復(fù)過程中廣泛存在。因此，評(píng)估APOBEC能否在CRISPR/Cas9引發(fā)的基因組DNA修復(fù)過程中產(chǎn)生突變，對(duì)于改進(jìn)CRISPR/Cas9編輯技術(shù)的精確性以及DNA損傷修復(fù)等研究都具有重要意義。在該項(xiàng)工作中，研究人員證實(shí)了APOBEC能夠作用于單鏈寡聚核苷酸的胞嘧啶位點(diǎn)，并通過CRISPR/Cas9引發(fā)的同源重組修復(fù)過程，在基因組DNA的同源胞嘧啶位點(diǎn)處產(chǎn)生堿基替換突變；同時(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)APOBEC能夠在由Cas9切刻酶引起的基因組DNA單鏈斷裂修復(fù)過程中激活堿基切除修復(fù)通路進(jìn)而產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂，從而產(chǎn)生非靶向的隨機(jī)堿基插入或缺失（insertions/deletions, indels）。基于上述機(jī)制研究，研究人員提出了利用雙鏈寡聚核苷酸或者雙鏈質(zhì)粒DNA作為修復(fù)模版、以及抑制內(nèi)源APOBEC的策略來提高CRISPR/Cas9編輯的保真度和精確性。
楊力研究員長(zhǎng)期從事計(jì)算生物學(xué)和組學(xué)研究。在此項(xiàng)最新的合作研究中，研究人員利用計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法體系，闡明了APOBEC在CRISPR/Cas9引起的基因組DNA斷裂修復(fù)過程中產(chǎn)生突變的分子機(jī)制，并據(jù)此成功與陳佳研究組合作開發(fā)出了增強(qiáng)型的基因組堿基編輯系統(tǒng)（Wang et al., Cell Research?2017），實(shí)現(xiàn)了更高精度和更高效率的堿基編輯。該項(xiàng)研究在楊力研究員、陳佳教授和沈彬教授的共同指導(dǎo)下，由陳佳研究組2014級(jí)碩博連讀研究生雷麗群、南京醫(yī)科大學(xué)/溫州醫(yī)科大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)研究生陳紅全、楊力研究組研究助理薛尉等共同完成。研究得到了上?？萍即髮W(xué)黃行許研究組、莊敏研究組、南京醫(yī)科大學(xué)沙家豪研究組和溫州醫(yī)科大學(xué)高基民研究組的大力幫助，并受到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市科委和上科大科研啟動(dòng)基金的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41594-017-0004-6
圖: APOBEC3介導(dǎo)的DNA修復(fù)在CRISPR/Cas9基因編輯過程中產(chǎn)生突變的新機(jī)制
a.APOBEC在以單鏈寡聚核苷酸為修復(fù)模版的同源重組修復(fù)過程中產(chǎn)生堿基替換突變。
b.APOBEC在Cas9切刻酶D10A引起的單鏈斷裂修復(fù)過程中產(chǎn)生indel突變。
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