杨力研究组合作揭示APOBEC3介导的DNA修复在CRISPR/Cas9基因编辑过程中产生突变的新机制

12月11日，中科院－马普计算生物学研究所杨力研究组与上海科技大学陈佳研究组和南京医科大学沈彬研究组合作研究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。相关成果以“APOBEC3 induces mutations during repair of CRISPR-Cas9-generated DNA breaks”为题，在线发表在国际知名学术期刊《自然－结构与分子生物学》（Nature Structural & Molecular Biology）上。
CRISPR/Cas9是迄今为止最为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。由于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，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。
杨力研究员长期从事计算生物学和组学研究。在此项最新的合作研究中，研究人员利用计算和实验相结合的方法体系，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，并据此成功与陈佳研究组合作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。该项研究在杨力研究员、陈佳教授和沈彬教授的共同指导下，由陈佳研究组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共同完成。研究得到了上海科技大学黄行许研究组、庄敏研究组、南京医科大学沙家豪研究组和温州医科大学高基民研究组的大力帮助，并受到国家自然科学基金委、科技部、上海市科委和上科大科研启动基金的支持。(科技处）

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41594-017-0004-6

图: APOBEC3介导的DNA修复在CRISPR/Cas9基因编辑过程中产生突变的新机制

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。