EMBO Rep|René H Medema团队指出CRISPR/Cas9介导的基因编辑可导致意外的基因激活

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不可否认的,CRISPR的发现、在原核免疫系统中的作用及其随后作为基因组编辑工具的发展彻底改变了分子生物学领域。近年来,许多实验室开发了CRISPR/Cas9作为可以应用于研究许多不同生物学问题的工具。已经报道了许多用于sgRNA传递的系统,包括慢病毒载体。然而,这些系统的一些后果尚未得到很好的理解。2021年12月20日,荷兰癌症研究所René H Medema团队在EMBO reports上发表了题为“Unexpected gene activation following CRISPR-Cas9-mediated genome editing”的研究论文。在本研究中,团队证明基于慢病毒sgRNA载体可以整合到内源基因组目标位置,导致目标基因的意外激活,提出这是研究人员在使用慢病毒载体进行基因组编辑时需要注意的一种未报告的CRISPR/Cas9靶效应。
在DNA损伤领域,CRISPR带来了一种替代方法,可以在所需的基因组位置诱导内源性双链断裂(DSB),将成像和高通量技术与DSB诱导的Cas9系统相结合,可检测转录、染色质动力学和DNA复制等过程,可根据是否使用病毒载体将sgRNA递送方法分为病毒和非病毒递送。病毒载体包括γ-逆转录病毒、腺病毒、腺相关病毒(AAV)和慢病毒(LV),基于HIV-1的慢病毒载体通过逆转录和随后插入有丝分裂后细胞的基因组将单链RNA转化为双链DNA,已成为为基因组编辑提供CRISPR/Cas9系统组件的重要工具。
在此项研究中,团队通过使用慢病毒sgRNA载体介导的CRISPR/Cas9系统在ABCB1基因的调控区生成DSB,诱导产生紫杉醇抗性克隆,并通过sgRNA载体上的EEF1A1转录激活,上调ABCB1表达。团队推测,靶向病毒整合可能会导致基因失调,进而影响生物功能,从而导致筛选出假阳性候选基因,例如,在进行功能性基因筛查时。因此,团队认为,在使用sgRNA慢病毒法诱导DSB时,需要考虑这种未被报道的CRISPR/Cas9介导的基因组编辑后的基因激活机制。
总之,在本研究中,团队展示了用于在基因转录起始位点附近诱导DSB的LV的sgRNA递送系统可导致载体整合到断裂位点并随后激活基因。当使用该系统在ABCB1调控区域生成DBS时,可找到基因编辑的细胞,其中包含慢病毒载体的U6EE1A1启动子。在RPE-1细胞中,ABCB1受到抑制,细胞对紫杉醇敏感,这些启动子的整合促使基因激活并产生紫杉醇抗性。此外,由于CRISPR能够在特定的内源性位点诱导DNA断裂,越来越多的研究人员正在使用多个Cas9系统来研究DSB修复及其生物学后果。因此,为了研究DNA损伤反应的长期后果,建议采用非整合系统,例如以RNA复合物形式提供合成gRNA。
《EMBO Rep|René H Medema团队指出CRISPR/Cas9介导的基因编辑可导致意外的基因激活》
图 本文图形摘要示意图。内源性ABCB1基因座中的sgRNA模型,基于LV的sgRNA载体可整合到内源基因组靶点并激活靶基因的表达。

期刊及DOI号
EMBO Rep. 2021 Dec 20. 
doi: 10.15252/embr.202153902.

题目

Unexpected gene activation following CRISPR-Cas9-mediated genome editing
摘要

The discovery of the Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR) and its development as a genome editing tool has revolutionized the field of molecular biology. In the DNA damage field, CRISPR has brought an alternative to induce endogenous double-strand breaks (DSBs) at desired genomic locations and study the DNA damage response and its consequences. Many systems for sgRNA delivery have been reported in order to efficiently generate this DSB, including lentiviral vectors. However, some of the consequences of these systems are not yet well understood. Here, we report that lentiviral-based sgRNA vectors can integrate into the endogenous genomic target location, leading to undesired activation of the target gene. By generating a DSB in the regulatory region of the ABCB1 gene using a lentiviral sgRNA vector, we can induce the formation of Taxol-resistant colonies. We show that these colonies upregulate ABCB1 via integration of the EEF1A1 and the U6 promoters from the sgRNA vector. We believe that this is an unreported CRISPR/Cas9 on-target effect that researchers need to be aware of when using lentiviral vectors for genome editing.

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