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基于 CRISPR 的基因组编辑器的药物输送系统
成熟和新兴的基因编辑器 CRISPR–Cas 系统是一种广泛存在的原核生物防御系统，用于防御入侵的噬菌体和外来遗传物质。在自然界中，它们由 (1) 效应模块（在第 1 类 CRISPR 系统中是蛋白质复合物，在第 2 类 CRISPR 系统中是单个效应子）和 (2) 适应模块（将外来序列整合到 CRISPR 阵列中，crRNA 从中表达）组成。由于这些系统是 RNA 引导的，因此可以通过改变 crRNA 的序列重新定位它们，这为可编程基因组编辑工具提供了一个起点，有关此类工具的开发已在其他地方进行了综述 5 – 13 。第一个被设计用于人类细胞的系统是 2 类 CRISPR–Cas9 系统 14、15，其中化脓性链球菌 CRISPR–Cas9 系统 (SpCas9；也简称为 Cas9) 是目前使用最广泛的系统。Cas9 在与向导 RNA（对于 Cas9 来说称为单向导 RNA (sgRNA)）互补的靶位点处产生双链断裂 (DSB)；在人类细胞中，这些 DSB 可以通过非同源末端连接 (NHEJ) 修复，这一过程通常会导致基因功能丧失。早期临床数据 16 表明，NHEJ 介导的基因敲除会降低致病蛋白的表达（见相关链接）。靶向的 DSB 也可以通过宿主细胞的内源性同源修复机制进行修复，从而整合由 Cas9 和 gRNA 随附的外源提供的模板 DNA。 Cas9 已被改造以实现其他基因组结果。通过突变 SpCas9 的催化残基（参考文献 17），Cas9 可以转化为可编程的 DNA 结合蛋白，通常称为死 Cas9 (dCas9)。尽管单独使用 dCas9 可以通过阻止 RNA 聚合酶的通过来减少靶基因转录，但 dCas9 与转录抑制因子（例如 Krüppel 相关框结构域 18）或表观基因组修饰因子（例如 DNA 甲基化酶 DNMT3A 19、20）的融合已促成 CRISPR 干扰系统的产生。类似地，dCas9 可通过融合转录激活因子（如 VP64（参考文献 21））或表观基因组修饰因子（如人类乙酰转移酶 p300（参考文献 22）或 TET1 脱甲基酶 19、23）用于靶向转录激活。
DNA 损伤的起源和修复机制
外源性因素：外部因素，如紫外线 (UV) 辐射、电离辐射和化学致癌物，会显著造成 DNA 损伤。紫外线辐射可导致环丁烷嘧啶二聚体 (CPD) 和 6-4 光产物的形成，从而扭曲 DNA 螺旋。电离辐射可产生双链断裂 (DSB)，这是最致命的 DNA 损伤形式之一。化学剂，包括烷化剂和多环芳烃 (PAH)，也可以修饰 DNA 碱基，导致诱变。
发育阶段，组织类型和性别对果蝇果蝇中DNA双链破裂修复的影响
精确修复DNA双链断裂（DSB）对于维持基因组完整性至关重要，因为无法修复DSB会导致细胞死亡。该细胞已经发展了DSB修复的两种主要机制：非同源最终连接（NHEJ）和同源性定向修复（HDR），其中包括单链退火（SSA）和同源重组（HR）。虽然已知某些因素（例如年龄和染色质的状态）会影响DSB修复途径的选择，但在多细胞生物中尚未阐明发育阶段，组织类型和性别的作用。通过分子分析DR-sophila melanogaster在各种胚胎发育阶段，幼虫和成人组织的影响，通过分子分析DR-白色测定法（Tide）。在维持规范（G1/S/S/G2/M）细胞周期的组织中，HR修复的比例最高，并且在两个末端分化和多倍体组织中都被抑制。为了确定性别对修复途径选择的影响，分析了男性和女性的不同组织中的修复。当分子检查含有大部分细胞的组织时，雄性和女性会占据相似的HR和NHEJ比例。然而，当使用DR-White分析的表型分析对男性和雌性前生殖细胞中DSB修复进行分析时，与雄性相比，女性的HR显着下降。这项研究描述了发育，组织特异性循环特征的影响，在某些情况下，性别对DSB修复结果的影响，强调了多细胞生物的修复的复杂性。
经典和替代最终连接的不足
在真核生物中，双链断裂（DSB）可以通过同源重组（HR）或非同源最终连接（NHEJ）修复。在体细胞中，人力资源非常不具体。因此，绝大多数DSB通过NHEJ的两种不同途径进行修复。经典（CNHEJ）途径取决于het-rodimer ku70/ku80，而聚合酶theta（polq）（polq）是替代（anhej）途径的核心。令人惊讶的是，即使两种途径受损，拟南芥植物也是可行的。但是，它们表现出严重的生长迟缓和生育能力降低。有丝分裂过轴酶的分析表明，双突变体的特征是由于DSB修复缺陷而导致染色体碎片的急剧增加。与单个突变体相反，发现双突变体对诱导DSB的基因毒素博来霉素高度敏感。因此，这两种途径都可以在DSB修复中相互补充。我们推测，在没有NHEJ途径的情况下，HR可能会增强。这对于基因靶向（GT）特别有吸引力，其中使用同源模板引入了预定的变化。不期望的是，与野生型植物相比，POLQ单突变体和双突变体的GT频率明显较低。因此，我们能够证明消除两种NHEJ途径并不对农业介导的GT构成有吸引力的方法。但是，我们的结果清楚地表明，CNHEJ的损失导致GT频率的增加，这对于使用Planta GT策略的实践应用特别有吸引力。
基因组编辑可改善营养质量、...
农业生产依赖于维持人类生命的园艺作物，包括蔬菜、水果和观赏植物。随着人口的惊人增长以及随之而来的对更多食物的需求，增加产量以维持粮食安全已成为必要。传统育种已经补贴了改良品种的发展，但为了提高作物产量，需要获得新的育种技术。CRISPR-Cas9 系统是一种独特而强大的基因组操作工具，可以精确地改变 DNA。该技术基于细菌适应性免疫系统，使用内切酶在单个向导 RNA 的引导下在目标位点产生双链断裂 (DSB)。这些 DSB 可以通过细胞修复机制进行修复，该机制在切割位点安装小的插入和缺失 (indel)。与 ZFN、TALEN 和巨核酸酶等替代编辑工具相比，CRISPR-Cas9 编辑工具因其简单、易用和低脱靶效应而迅速获得快速发展。在许多园艺和工业作物中，CRISPR 技术已成功用于增强抗逆性、自生性、营养改善、风味和代谢产物。基于 CRISPR 的工具是最合适的工具，其预期目标是产生非转基因产量并避免监管障碍，从而将转基因作物推向市场。尽管编辑园艺、工业和观赏作物仍面临一些挑战，但这种新型核酸酶及其作物特异性应用使其成为作物改良的动态工具。
响应CRISPR/CAS9引起双重链断的方法，有利于同源指导的维修选择
摘要：精确的基因编辑是 - 或很快就会用于多种疾病的临床用途，并且正在开发更多应用。由单个诱导RNA（SGRNA）导演的可编程核酸酶CAS9可以在基因组DNA的靶位点中引入双链断裂（DSB），这构成了使用这种新技术的基因编辑的初始步骤。在哺乳动物中，两种途径占主导地位的DSB修复 - 非同源末端连接（NHEJ）和同源指导的修复（HDR） - 基因编辑的结果主要取决于这两个修复途径之间的选择。尽管HDR以其高度有吸引力，但在生物学环境中，修复途径的选择是有偏见的。哺乳动物细胞优先通过多种机制利用NHEJ：NHEJ在整个细胞周期中都活跃，而HDR仅限于S / G2阶段； NHEJ比HDR快。 NHEJ抑制了HDR过程。这表明可以通过操纵细胞修复途径的选择来实现对编程DNA病变结果的明确控制。在这篇综述中，我们总结了DSB修复途径，基于DNA切除的选择选择的机制，并在研究策略中取得了进展，该策略基于操纵修复途径的选择以增加哺乳动物细胞的HDR频率，从而有利于Cas9介导的HDR。还讨论了提高HDR效率的其余问题。本评论应促进CRISPR / CAS9技术的开发，以实现更精确的基因编辑。
CRISPR–Cas9 介导的拟南芥可遗传染色体易位的诱导
成簇的规律间隔短回文重复序列 (CRISPR) - CRISPR 相关蛋白 (Cas) 技术已应用于植物育种，主要用于改良单个或多个性状的基因 1 – 4 。本文我们表明，这项技术还可用于重组植物染色体。利用来自金黄色葡萄球菌 5 的 Cas9 核酸酶，我们能够在拟南芥中诱导异源染色体之间 Mbp 范围内的相互易位。值得注意的是，在没有经典的非同源末端连接途径的情况下，易位频率大约高出五倍。利用 Cas9 核酸酶的卵细胞特异性表达和连续的批量筛选，我们能够分离可遗传事件并建立易位纯合的品系，单个品系的频率高达 2.5%。通过分子和细胞学分析，我们证实了在拟南芥 1 号和 2 号染色体之间以及 1 号和 5 号染色体之间获得的染色体臂交换是保守的和相互的。诱导染色体易位可以有针对性地模拟基因组进化或染色体修改，固定或打破不同染色体上性状之间的遗传连锁。植物基因组的受控重组有可能改变植物育种。鉴于养活快速增长的人口的挑战以及气候变化对农业的影响，对新作物品种的需求日益增加。随着传统育种已达到极限，使用基因组编辑工具对作物进行理想性状改造正成为主要关注点 6 。应用 CRISPR-Cas 系统定向诱导位点特异性双链断裂 (DSB) 使得基因编辑既可用于植物基础研究，也可用于农业性状的产生和改良 7 。在包括植物在内的多细胞真核生物中，DSB 的修复主要由两种途径介导，非同源末端连接 (NHEJ) 和同源重组 8 。通过易错的 NHEJ 进行的修复通常与断裂位点处的序列信息丢失有关，而同源重组主要导致无错修复 9 。在植物中，NHEJ 是体细胞组织中普遍的修复途径。NHEJ 可进一步细分为经典 NHEJ (cNHEJ) 和替代 NHEJ (aNHEJ) 途径 10 。在 cNHEJ 的情况下，断端直接重新连接，有时会导致断裂位点处的小插入或缺失 (indel)。aNHEJ 利用靠近断裂位点的微同源性并依赖于聚合酶 theta，导致与插入部分相关的微同源性之间的序列信息缺失 11,12 。一次诱导多个 DSB 可以通过 NHEJ 将不相关的断裂末端连接起来，从而导致基因组中复杂的重排。
Rad51 独立的途径促进单链...
Rad51/RecA 重组酶家族在典型的双链断裂 (DSB) 修复中发挥着关键作用：切除的 DSB 末端进入同源双链 DNA (dsDNA) 模板序列以启动修复。然而，使用单链 DNA (ssDNA) 作为模板修复 DSB（CRISPR/Cas9 介导的基因编辑的常用方法）不依赖于 Rad51。我们通过使用位点特异性 HO 内切酶创建 DSB 并使用 80 nt 单链寡核苷酸 (ssODN) 修复 DSB，分析了酿酒酵母中这些不依赖于 Rad51 事件的遗传要求，并通过 Cas9 介导的 DSB 与在体内产生 ssDNA 模板的细菌逆转录子系统相结合证实了这些结果。我们表明，单链模板修复 (SSTR) 依赖于 Rad52、Rad59、Srs2 和 Mre11-Rad50-Xrs2 (MRX) 复合物，但与其他 Rad51 独立的重组事件不同，它不依赖于 Rdh54。我们表明，Rad59 可减轻 Rad51 对 Rad52 链退火活性的抑制，无论是在 SSTR 中还是在单链退火 (SSA) 中。当引入大小和序列相同的双链寡核苷酸作为模板时，基因编辑依赖于 Rad51。基因编辑过程中错配的吸收取决于 Msh2 的活性，它对 ssODN 3' 侧的作用与 5' 端非常不同，ssODN 可以直接退火到切除的 DSB 端。此外，DNA 聚合酶 Pol δ 的 3' 到 5' 校对活性经常切除非常靠近模板 3' 端的错配。我们进一步报告称，SSTR 会导致直接修复序列附近区域的突变增加多达 600 倍。这些 DNA 聚合酶 ζ 依赖性突变可能会损害基因编辑的准确性。
同源修复模板 DNA 链间交联增强人类细胞中的基因编辑
CRISPR–Cas9 通过产生 DNA 双链断裂 (DSB) 并随后激活细胞 DNA 修复途径实现基因编辑。根据所参与的修复途径，结果可能包括目标基因的破坏或用恢复或引入功能的新序列替换 1 。后一种基因替换事件需要传递编码新序列的模板 DNA，其水平应支持基因替换，但不会对细胞活力产生不利影响。在转化应用中，模板分子通常由病毒载体递送。虽然有效，但病毒工作流程成本高昂、难以扩大规模且对细胞有潜在毒性。因此，使用非病毒模板 DNA 是一种有吸引力的替代方案，但非病毒模板的效率和急性毒性可能不如病毒递送 2 。改进的非病毒基因编辑将成为揭示 DNA 修复机制的有力方法、有用的实验室技术和治疗多种疾病的有前途的策略 3 。一种高效的非病毒基因编辑策略是传递核糖核蛋白（RNP）制剂，包括靶向核酸酶Cas9、单向导RNA（sgRNA）和模板分子，该模板分子包含与被编辑区域以及要修改或插入的序列的同源性4。这些RNP在基因组的目标区域引入DSB，然后通过易错末端连接（EJ）过程修复断裂末端，或通过同源性定向修复（HDR）过程修复DSB，该过程使用单独模板分子1中编码的序列解决DSB（扩展数据图1a）。使用HDR将新的DNA序列引入目标位置可以实现令人兴奋的功能获得应用5。因此，增加HDR频率的策略可能会改善结果并降低实验室和生物医学工作流程的成本。
CRISPR/Cas9 gRNA 载体
• 并行使用至少两个独立的 gRNA 序列来获得不同的克隆。通过基因组编辑创建的模型使用不同的 gRNA，这些 gRNA 共享靶位点，但不共享脱靶位点，是创建独立重复的绝佳方法。 • 为每个使用的 gRNA 分离多个独立的克隆细胞群。在独立克隆中，脱靶 DSB 发生在相同位点的可能性非常低。 • 虽然很少有实验室有资源进行统计上强大的全基因组测序验证协议（例如 gUIDEseq），但相对容易地为每个您使用的 gRNA 选择几个预测的脱靶序列，然后围绕这些位点进行测序，以确保没有引入脱靶插入/缺失。