DNA双链断裂修复途径的选择与调控

DNA双链断裂(double strand break,DSB)是一种导致基因组不稳定性的高毒性损伤,可引起染色质畸变诱发癌症.真核生物中演化出多条保守的DSB损伤修复途径,其中最重要的修复途径是典型的非同源末端连接(clas-sical non-homologous end joining,cNHEJ)和同源重组(h...     

表观遗传调控：基于染色质环境的DNA双链断裂修复

DNA双链断裂（DNA double-strand breaks, DSBs）是威胁基因组完整性和细胞存活的最有害的DNA损伤类型。同源重组（homologous recombination,HR）和非同源末端连接（non-homologous end joining,NHEJ）是修复DNA双链断裂的两种主要途径。DSB修复涉及到损伤部位修复蛋白的募集和染色质结构的改变。在DNA双链断裂诱导下,染色质结构的动态变化在时间和空间上受到严格调控,进而对DNA双链断裂修复过程进行精细调节。特定的染色质修饰形成利于修复的染色质状态,有助于DNA双链断裂修复机器的招募、修复途径的选择和DNA损伤检查点的活化;其中修复途径的选择对于基因组稳定性至关重要。修复不当或失败可导致基因组不稳定性,甚至促进肿瘤的发生。本文综述了染色质结构和染色质修饰的动态变化在DSB修复中的重要作用。此外,文章还总结了在癌症治疗中靶向关键染色质调控因子在基因组稳定性维持、肿瘤发生发展以及潜在临床应用价值等方面的进展。     

聚腺苷二磷酸-核糖聚合酶1与DNA双链断裂修复的相关性

DNA双链断裂(double strand breaks,DSBs)是细胞最严重的DNA损伤形式。细胞通过同源重组(homologous recombination,HR)和非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)途径修复DNA双链断裂损伤。聚腺苷二磷酸核糖基化(poly(ADP-ribosyl)ation,PARylation)是蛋白质翻译后修饰过程,这个过程由聚腺苷二磷酸 核糖聚合酶家族(poly(ADP-ribose)polymerases,PARPs)催化完成。PARP1作为PARPs家族最重要的成员,其在DNA损伤应答方面发挥重要作用。研究显示,PARP1在DSBs修复过程中发挥关键作用,参与DSBs的早期应答反应及其具体修复途径,可依据KU蛋白的存在与否发挥不同的特定作用。本文较全面地综述了PARP1在DNA双链断裂修复方面的潜在作用,将为临床疾病的诊治提供新的思路。     

锌指核酸酶技术在植物基因工程中的应用

锌指核酸酶(zinc finger nucleases,ZFNs)由3到4个锌指结构(zinc fingers,ZFs)和FokⅠ核酸内切酶的剪切结构域组成。锌指核酸酶(ZFNs)通过锌指结构(ZFs)与特异核酸位点结合,再利用FokⅠ的酶切作用切割DNA,引起特异位点DNA双链断裂(double strand break,DSB)。DNA双链断裂可以通过非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ) 或同源重组(homologous recombination,HR)来修复。在修复过程中实现对基因组DNA的靶向修饰。介绍了锌指核酸酶结构、人工构建途径,作用机理和试验步骤,重点综述了锌指核酸酶技术在植物基因工程的应用。     

锌指核酸酶技术的应用

锌指核酸酶(zinc finger nuclease,ZFN)技术是近年来发展起来的一种对基因组DNA实现靶向修饰的新技术。ZFN通过作用于基因组DNA上特异的靶位点产生DNA双链切口(double strand break,DSB),然后经过非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)或同源重组(homologous recombination,HR)途径实现对基因组DNA的靶向敲除或者替换。该技术近些年来已经被广泛应用于基因靶向修饰的研究。本文在简要介绍ZFN技术的基础上,重点综述了目前该技术在基因靶向修饰中的应用研究进展,并同时对该技术目前所需解决的一些问题以及未来的研究方向进行了分析。     

组蛋白去乙酰化酶抑制剂对DNA双链断裂修复路径的作用

DNA双链断裂(double strand breaks, DSBs)对细胞生存是致命的.细胞内非同源末端连接(NHEJ)、重组修复(HDR)、单链退火修复(SSA)和微同源序列末端连接(MMEJ)等通路可竞争性修复DNA双链断裂损伤.在肿瘤细胞DNA中制造难以修复的基因损伤,诱导肿瘤细胞周期中止、坏死和凋亡是临床放、化疗的主要策略.组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase）作为抗肿瘤治疗的新靶标,其抑制剂(histonedeacetylase inhibitors, HDACi)可显著降低肿瘤细胞DSBs修复能力,增强肿瘤细胞的放、化疗敏感性.研究显示,HDACi抑制了肿瘤细胞中具有正确修复倾向的HDR和经典NHEJ通路,具有错误修复倾向的SSA和MMEJ路径也可能牵涉其中.目前,HDACi作用于DSBs修复通路的分子机制已取得较大进展,但仍有许多问题有待阐明.     

体外验证SSA报告载体系统对CRISPR/Cas9的切割效率

目的根据单链退火(single strand annealing, SSA)修复途径原理,构建萤火虫荧光素酶荧光报告基因系统,体外检测SSA报告载体对CRISPR/Cas9的切割效率及gRNA的特异性和剪切活性。方法基于SSA修复DNA双链断裂损伤需要断裂末端包含一段同源重复序列的原理,构建4个萤火虫萤光素酶luciferase基因报告质粒,其中luciferase基因被分成前后两个片段;PCR先扩增luciferase基因319～1 653 bp片段并连接至巨细胞病毒(cytomegalovirus, CMV)启动子表达质粒,随后再分别连接luciferase基因不同长度前段序列,分别为1～579 bp、1～858 bp、1～1 188 bp和1～1 317 bp,每个片段中均含有一段重复序列,并且被终止密码子提前终止为无活性的luciferase基因;设计了261、540、870和900 bp等4个同源臂,将特异性的gRNA连入两段序列中,并加入有活性的Cas9/gRNA,通过检测荧光活性来检测gRNA的特异性和剪切活性。结果成功构建了4个荧光报告质粒pLuc-N1-1～4;用海参荧光素酶作为内参,在293T细胞转染4个荧光报告质粒,在24 h时检测4个质粒的相对荧光强度,均无荧光活性物质产生;在荧光报告质粒中加入特异性的靶点序列,并表达Cas9/gRNA,这些报告基因具有显著荧光强度升高(P0.000 1),且不受同源臂长度影响。结论成功构建的基于luciferase基因的SSA报告系统,可提供一种简单而快速方法来评估和比较gRNA在CRISPR/Cas9系统引入的indel突变诱导效率,为选择最有效gRNA减少不确定性,大大扩展CRISPR/Cas9介导的模式动物基因工程的实际应用提供可能性。     

退火解旋酶SMARCAL1在维持基因组稳定中的作用与机制

SMARCAL1是属于SWI/SNF (SWItch/Sucrose Non-Fermentable)相关、基质相关和激动蛋白依赖的染色质调节因子家族成员ATP驱动的DNA退火解旋酶。SMARCAL1在体外和体内能催化单链结合蛋白RPA结合的DNA单链与其互补链退火成双链DNA。人Smarcal1基因的突变与Schimke免疫骨性发育不良(Schimke immuno-osseous dysplasia, SIOD)所能表现出的临床症状呈高度相关。本文对SMARCAL1在DNA损伤部位DNA复制叉的重塑、在DNA双链断裂(double-stranded DNA, dsDNA)处参与经典的非同源末端连接(non-homologous end joining, NHEJ)修复,以及在人染色体端粒完整性维护等方面的作用与机制进行了梳理,对Smarcal1基因突变类型与SIOD症状之间的对应关系进行了更新,并对SMARCAL1在三核苷酸重复序列扩增关联的神经–肌肉退行性病变过程中的可能作用进行了分析和讨论,旨在更好地理解该退火解旋酶在维持基因组稳定中的作用和机制。     

CRISPR-Cas9研究进展及在基因治疗上的应用

CRISPR-Cas9[Clustered regularly interspaced short palindromic repeats（CRISPR）/CRISPR-associated （Cas）9]是近年兴起的一种高特异性和高效的基因编辑新技术,由向导RNA（single guide RNA,sgRNA）和cas9（CRISPR-associated 9）蛋白组成,引起DNA位点特异性双链断裂（double-strand breaks,DSBs）,引发同源重组修复（homology-directed repair,HDR）或非同源末端连接修复（non-homologous end joining,NHEJ）,达到靶基因修饰的作用。CRISPR-Cas9技术自发现以来,因其便于操作、花费较低、高特异性、可同时打靶任意数量基因等优点而被应用。近年研究显示,对于一些遗传性疾病,可通过CRISPR-Cas9精确的基因编辑破坏致病的内源基因、改正引起疾病的突变体或插入新的保护性基因进行治疗,该技术为基因治疗开启了一个新方向。主要从CRISPR-Cas9结构、作用机制及在疾病基因治疗上的应用等方面进行了综述。     

利用CRISPR/Cas9技术构建基因编辑大鼠模型

RNA介导的CRISPR/Cas9基因编辑系统由单链引导RNA(sgRNA)与核酸酶Cas9构成。在细胞内,sgRNA能够按照碱基互补配对的原则引导Cas9与靶点结合,由Cas9切割目标DNA,造成双链DNA断裂(double stranded break, DSB)。在随后的DNA修复过程中,细胞主要进行非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)或在有修复模板存在的情况下进行重组修复(homology directed repair, HDR)。如果将CRISPR/Cas9系统以及修复模板通过显微注射的方式导入大鼠的胚胎内,就能借助细胞的修复机制实现大鼠胚胎的基因编辑,由此构建各种基因修饰大鼠模型。本文详细介绍了利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建大鼠模型的具体操作步骤,以期为相关领域的科研人员提供一种大鼠基因修饰模型的构建方法。     

动物基因组编辑中提升CRISPR/Cas9介导的同源重组效率研究进展*

基因组编辑技术可以对DNA或RNA进行精准改造,极大地促进了生命科学的发展。CRISPR/Cas9系统在靶位点诱导DNA发生双链或单链损伤,细胞对损伤部位采用无供体模板的非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)或有供体模板的同源重组(homologous recombination,HR)修复。基于HR的基因组编辑策略通常被用于获得DNA的精准改造,而NHEJ在动物DNA损伤修复中起主导作用。为了提升HR效率,研究人员设计了多种方案,包括CRISPR/Cas9系统优化和DNA修复通路调控等。从DNA损伤修复途径、Cas9变体选择、sgRNA设计、供体模板设计、DNA修复途径相关蛋白功能调控、供体模板募集效率提升、细胞周期调控及编辑细胞生存效率提升等方面详细综述了相关研究成果,发现尚未开发出放之四海而皆准的HR提升策略,基于HR的基因组编辑需要针对具体案例制定个体化策略。旨在为动物基因组编辑中提升CRISPR/Cas9介导的HR效率研究提供理论参考,为动物基因功能分析、基因治疗和经济动物基因编辑育种提供帮助。     

DNA双链断裂损伤修复系统研究进展

多种内源或外源因素都能造成细胞基因组DNA损伤,细胞内建立了复杂的修复系统来应对不同形式的损伤。其中DNA双链断裂(DNA double-strand breaks,DSBs)作为最严重的损伤形式,主要激活同源重组修复(Homologous recombination repair)和非同源末端连接(Non-homologous end joining)通路。这两条通路都是由多个修复元件参与、经过多步反应的复杂过程。两者各具特点、协同作用,共同维护细胞基因组的稳定性。对其分子机制的阐明为肿瘤放化疗的辅助治疗提供了潜在的作用靶点。     

RNA干扰猪NHEJ通路修复因子对HR效率的影响

非同源末端连接(nonhomologous end joining, NHEJ)是动物基因组DNA双链断裂(double-strand break, DSB)修复的优选途径,通过与同源重组(homologous recombination, HR)竞争DSB靶点,进而抑制HR的效率。为提高HR效率,本研究针对猪NHEJ通路修复关键因子PNKP、LIG4和NHEJ1的编码序列,设计并合成相应的靶向小干扰RNA (small interfering RNA, siRNA),组成若干对RNAi (RNA interference)系统,将RNAi系统与报告质粒SSA-GFP reporter、HDR -GFP system和ssODN-GFP system共转染至猪胎儿成纤维细胞(porcine fetal fibroblasts, PFFs),检测敲低上述NHEJ关键修复因子后对HR的影响。RNAi结果显示,针对PNKP、LIG4和NHEJ1设计的siRNA均可显著敲低PNKP、LIG4和NHEJ1基因的表达(P<0.05)。选择干扰效果最好的siRNA与报告载体共转染PFFs,结果表明干扰PNKP基因表达后可显著提高单链退火(single strand annealing, SSA)修复效率、双链或单链DNA介导的同源重组定向修复(homology-directed repair, HDR)效率分别为55.7%、37.4%和73.1% (P<0.05),而干扰LIG4和NHEJ1分别提高双链和单链介导的HDR效率为37.5% 和 76.9% (P<0.05)。     

基于SSA修复机制和特异性核酸酶活性检测的双荧光报告载体系统的开发及应用

报告载体系统因构建快捷、改造简单、操作容易、经济有效,并且能通过介导筛选核酸酶阳性细胞富集基因组修饰的阳性细胞克隆,而成为特异性核酸酶活性检测的重要手段。基于非同源末端连接(Non-homologous end joining,NHEJ)修复机制的报告系统在引入DNA双链断裂(Double strand breaks,DSBs)后,经过优化最高也只有2/3的概率实现报告基因的修复;而单链退火(Single strand annealing,SSA)修复机制在引入DSBs后,理论上可以实现报告基因100%的修复,具有更高的灵敏度,有利于活性较低的特异性核酸酶活性的检测,为基因组修饰研究中特异性核酸酶活性的检测提供了有效的手段。本研究设计并构建了3套基于SSA修复机制的双荧光报告载体系统,并应用mRFP-eGFP系统检测了3对ZFNs的有效活性,其活性检测结果分别为8.9%、9.3%和5.0%,该研究为核酸酶活性的检测提供了有效的手段。     

siRNA干扰绵羊胚胎成纤维细胞Lig4基因增加同源重组载体重连修复效率

在动物细胞中,抑制非同源末端连接(Non-homologous end joining, NHEJ)修复途径,可以提高同源重组(Homologous recombination, HR)修复基因组双链断裂(Double-strand brakes, DSBs)的发生概率。为了提高绵羊胚胎成纤维细胞的HR效率,针对NHEJ修复途径中的关键因子Lig4(DNA ligase 4)基因,本文设计合成4个具有靶向性的siRNA(Small interfering RNA)。绵羊胚胎成纤维细胞经电转染导入siRNA,通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)和Western blotting检测,筛选出有效抑制Lig4基因表达的2个siRNA。应用质粒重连法检测HR修复效率,将I-SceⅠ酶线性化的HR质粒和siRNA共转染绵羊胚胎成纤维细胞,经72 h培养及流式细胞仪检测,与对照组细胞比较,结果表明HR质粒重连效率提高了3~4倍。瞬间干扰Lig4基因的表达可提高HR质粒重连效率,为改善绵羊胚胎成纤维细胞基因打靶效率提供理论基础。     

原核生物的NHEJ修复途径

DNA双链断裂(DSBs)是严重的DNA损伤形式之一,生物体对DSBs的修复可通过同源重组(HR)或非同源末端连接途径(NHEJ)进行。长期以来,人们普遍认为HR是细菌DSBs修复的惟一途径,但在分支杆菌和其它原核生物体内NHEJ途径的发现,使这一观念得以颠覆。最近的研究表明,细菌NHEJ修复系统是一个双组分系统,包含一个多功能的DNA连接酶(LigD)和DNA末端结合蛋白Ku,具有DSBs修复所需的断裂末段识别、末端加工和连接活性。重点综述细菌NHEJ修复系统的组成、结构以及生理功能。     

基于CRISPR/Cas系统的DNA碱基编辑研究进展

基于CRISPR/Cas的基因编辑是近年发展起来的一项变革性生物技术。其过程包括在目标DNA位点引入双链断裂(double strand break,DSB)以及其后续的细胞修复。细胞修复DSB主要有两种方式：非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)以及同源重组介导的修复(homology-directed repair,HDR)。前者是大多数细胞修复DSB的主要方式,其特点在于修复简单、效率高但极易出错,往往会引发难以预测的核苷酸插入或删除。点突变是自然界中最常见的遗传突变类型,引起了超过半数的人类遗传疾病以及许多重要农艺性状变异。碱基编辑能够实现单个碱基的替换,既不需要引入DSB,又无需修复模板参与,具有高效、编辑结果可控等优点,在基因治疗、作物育种及生物技术研究等方面具有重大的应用潜能。自首个碱基编辑工具开发以来,碱基编辑相关技术得到快速发展及广泛应用。本文综述了目前DNA碱基编辑研究进展,重点阐述了碱基编辑器及其在编辑效率、精度以及特异性提高和编辑范围扩展等方面的最新进展以及仍存在的瓶颈,并展望其研究和应用前景。     

BRCA1与DSB修复路径取向

乳腺癌易感基因1(BRCA1)是一个肿瘤抑制基因.BRCA1参与DNA末端切除、细胞周期调控以及染色体修饰等来维护基因组的稳定性.有研究表明,它能够促进正确的DNA双链断裂(DSBs)修复,如同源重组修复(HDR)和经典的非同源末端连接(C-NHEJ);而抑制错误性的DSB修复,如单链退火修复(SSA)和非经典的末端连接(A-EJ);其机制是通过与某些DNA修复相关蛋白质的相互作用来引导DSB修复.目前,BRCA1在DSB修复通路中的作用机制尚未完全明确,仍有待进一步的研究.本文主要阐述BRCA1在DSB各修复通路中是如何发挥其引导作用的.     

MMEJ-KO: a web tool for designing paired CRISPR guide RNAs for microhomology-mediated end joining fragment deletion

正Dear Editor,Clustered regularly interspaced short palindromic repeats associated protein (CRISPR/Cas) systems are convenient and versatile tools for genome editing. Directed by a guide RNA (gRNA), the Cas nuclease produces double-strand break (DSB) at the target site, generally resulting in small base insertion/deletion mutations by the non-homologous end joining (NHEJ) DNA repair.