科研人员设计出高效精确基因靶向整合的新策略

5月19日，《细胞研究》期刊在线发表了题为《运用 CRISPR/Cas9 技术实现以同源臂介导的末端接合为基础的靶向整合》的研究论文，该研究由中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心杨辉研究组、基因编辑平台施霖宇团队与苏州非人灵长类研究平台孙强团队合作完成。该研究设计了一种以同源臂介导的末端接合（Homology-Mediated End Joining, HMEJ）为基础的基因敲入策略，它在很多种系统（体外培养的细胞、动物胚胎和体内组织）中比现有的基因敲入策略的效率都要高。基于更高效的编辑效率和更好的精确度，HMEJ介导的基因敲入方法为一系列应用，包括基因编辑动物模型的建立、疾病的靶向基因治疗等提供了非常大的应用前景。

在临床治疗应用方面，精确的靶向基因组编辑是非常重要的。规律成簇的间隔短回文重复（CRISPR）/CRISPR 相关蛋白-9核酸酶（Cas9）系统通过在基因组上靶向形成DNA双链断裂（DSB）的方式极大地促进了转基因的靶向整合。一旦产生一个 DSB ，靶向整合可以通过多种策略来实现，包括同源重组（HR）、微同源臂介导的末端接合（MMEJ）或者非同源末端接合（NHEJ）。

常用的同源重组（HR）策略介导的基因靶向整合在动物胚胎和组织中效率低下。而且 NHEJ 介导的修复系统会导致随机方向的整合，以及在接合处引入各种形式的插入、删除或突变，使得这种方法难以通过同框整合的方式形成内外源融合基因以形成嵌合蛋白。即使是之前报道的 MMEJ 策略，也只能在某些系统内提高效率。因此，研究者们试图探究是否存在一种在多个系统内都可以有更高效的编辑效率和更好的精确度的基因靶向整合策略。

在本工作中，研究团队基于 CRISPR/Cas9 系统，设计了一种新的以 HMEJ 为基础的靶向精确整合策略，即利用带有单个向导 RNA （sgRNA）靶向位点和长同源臂（约800 bp ）的供体载体来实现高效的精确整合。

为了验证这一想法，研究团队构建了四种类型的供体载体来比较敲入效率： HMEJ 供体（ sgRNA 靶向位置序列加在800 bp 长度的同源臂两端）、HR 供体（只有800 bp 长度的同源臂）、NHEJ 供体（只有 sgRNA 靶向位置序列）以及 MMEJ 供体（ sgRNA 靶向位置序列加在20 bp 的微同源臂两端）（图A）。然后将这四种系统分别在体外培养的细胞系、小鼠和猴胚胎以及成体组织上进行效率比较。

研究者发现在体外培养的小鼠 ES 细胞和 N2a 细胞中，HMEJ 为基础的定向整合效率与 HR 方法相比较并无显著提高。然而，在原代星形胶质细胞和神经元细胞中，HMEJ 方法具有很高的 DNA 敲入效率。更重要的是，在小鼠和猴子胚胎中展现了非常强大的基因敲入能力（图B）。此外，通过尾静脉水动力注射法感染成体小鼠的肝细胞，发现 HMEJ 介导的基因敲入效率远高于以 HR 、 NHEJ 和 MMEJ 为基础的策略（图C&D）。采用 AAV 定点注射感染小鼠的视皮层区（V1），结果显示 HMEJ 介导的在成体非分裂的成熟神经元中靶向整合效率可以达到50%左右（图E&F）。最后，研究者对 HMEJ 介导的基因靶向整合的机制进行了探讨（图G）。

该工作建立了一种新的基于 HMEJ 的靶向精确整合策略，即利用带有单个向导 RNA （sgRNA）靶向位点和长同源臂（约800 bp ）的供体载体来实现高效的精确整合。HMEJ 介导的基因敲入方法拥有更高效的编辑效率和更好的精确度，为包括基因编辑动物模型的建立和疾病的靶向基因治疗等应用提供了非常大的前景。

该项工作由博士研究生姚璇、王兴、刘真与研究实习员胡新德在灵长类疾病模型研究组研究员杨辉、基因编辑平台主任施霖宇与苏州非人灵长类研究平台主任孙强的指导下完成，课题组的其他成员积极参与，并得到了神经所研究员程乐平、上海科技大学研究员黄鹏羽的大力协助，是众多课题组通力合作的重要成果。该工作得到中科院战略性先导科技专项(XDB02050007 XDA01010409)，国家高科技研发项目(863项目;2015AA020307)，国家自然科学基金会(国家自然科学基金委资助号31522037和31500825)，中国青年千人计划(杨辉)，中科院重大突破项目、国家关键技术研发项目(2014BAI03B00 孙强)，上海市科学技术委员会项目 (16JC1420202 杨辉; 14140900100 孙强)，中科院百人计划(孙强)等项目的资助。

图注：（A）HR、NHEJ、MMEJ 和 HMEJ 介导基因敲入的示意图。HAL/HAR，左/右同源臂。三角形，sgRNA 靶向位点。（B）在囊胚阶段，HMEJ 介导的基因编辑后的小鼠以及猴胚胎的代表性荧光图片。插入图，高放大倍数图。（C）尾静脉注射后第7天，肝切片中具有代表性的肝细胞的荧光图。标尺，50 μm 。GFP，转染后的细胞。（D）通过统计在 GFP 阳性细胞中 mCherry 阳性细胞比例来说明相对敲入效率。肝细胞在注射后7天进行收集分离。数据点用黑点表示。***P < 0.001，不配对 T 检验。（E）HMEJ-AAV 注射后大脑切片中具有代表性的神经元荧光图。插入图，高放大倍数图。标尺，100 μm 。（F）通过分别统计在 GFP 阳性细胞或所有 DAPI 阳性细胞中的 mCherry 阳性细胞的比例来说明相对或绝对敲入效率。每张大脑切片中至少统计2000个细胞，每个动物中至少统计三张大脑切片。输入的数据点用黑色点表示。（G）HMEJ 介导的基因敲入的示意图。

来源：中国科学院上海生命科学研究院