CRISPR-Cas9基因编辑技术自2012年问世至2020年获得诺贝尔化学奖，仅历时8年，这项技术为生命科学带来了革命性影响。目前，CRISPR-Cas9技术已广泛应用于生命科学研究的诸多领域，并且已用于地中海贫血症临床治疗试验，基因编辑技术将继续对生命科学研究、基因治疗、生物产业、伦理等产生广泛而深刻的影响。
CRISPR-Cas9的技术原理包括向导RNA引导的Cas9靶向DNA切割和DNA修复两个基本过程。为了避免基因编辑技术在基因治疗中产生非预期的副作用，发展无脱靶、精确可控的基因编辑技术极为重要，充分认识CRISPR-Cas9编辑介导的DNA修复结果有助于技术的发展。之前的研究发现，CRISPR-Cas9编辑哺乳动物细胞的DNA修复结果以插入/缺失为主，少量的染色体重排和碱基替代并未受到重视。青岛能源所王士安研究员和李福利研究员带领的分子微生物工程研究组，在开展红法夫酵母基因编辑研究中发现了高频的碱基替代（点突变）修复，并由此系统地开展了CRISPR-Cas9介导的DNA修复结果分析和机制探究，该项研究近日在线发表在基因编辑专业期刊The CRISPR Journal杂志上。
研究人员从转化CRISPR-Cas9的102万个红法夫酵母转化子中鉴定到476个自然修复克隆，采用Sanger测序、Illumina测序、序列结构变异分析、染色体核型分析、遗传突变分析和统计分析等方法，全面分析了DNA修复类型，并系统探究了修复产生的原因。
研究发现，在红法夫酵母中CRISPR-Cas9基因编辑介导的DNA修复类型多种多样，包括DNA插入/缺失、点突变、染色体易位、短片段反向互补等，并展现了多种新特征。其中，1 kb以上的DNA缺失并不罕见；点突变非随机地出现在特定靶位点，这不同于在Hela细胞和酿酒酵母中鉴定到的少量碱基替代；染色体易位重复性地发生在两个DNA断裂处。研究还发现，点突变和DNA缺失强烈依赖NHEJ修复途径中的Ku70、Ku80、Mre11和 RAD50基因，失活其中任何一个基因都导致DNA修复能力急剧下降。并且，点突变和DNA缺失还依赖非保真DNA聚合酶REV3或Pol4，同时失活REV3和POL4基因也导致DNA修复能力明显下降。
尽管CRISPR-Cas9基因编辑技术已经产生了革命性影响，但是在基因治疗领域的应用还需要更加谨慎，目前精确基因编辑仍然难以实现。研究所的该项研究虽然以微生物为对象，但是对哺乳动物细胞的基因编辑研究也具有启发作用。与该研究发现具有类似性，人类癌症细胞中的大量点突变由非保真DNA聚合酶产生，并且人体细胞以NHEJ为主要的DNA修复机制。然而，以往研究并未足够重视CRISPR-Cas9介导的人体细胞的自然DNA修复类型，尤其是点突变，相关研究应予以加强，以确保基因编辑技术在疾病治疗中的安全应用。
图1. 红法夫酵母中CRISPR-Cas9介导的DNA修复结果及机制。A, DNA缺失修复；B, 碱基替代（点突变）修复；C, 基因CrtE site 3位点的修复类型统计；D, 深度测序鉴定稀有点突变；E, 基因组测序鉴定染色体易位；F, NHEJ途径与CRISPR-Cas9介导的DNA修复；G, 非保真DNA聚合酶与CRISPR-Cas9介导的DNA修复；H, CRISPR-Cas9介导的DNA修复机制模型
研究生洪季璇、孟子越、张紫茜为该工作的并列第一作者，王士安研究员和李福利研究员为通讯作者，该工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金的资助。
Jixuan Hong#, Ziyue Meng#, Zixi Zhang#, Hang Su, Yuxuan Fan, Ruilin Huang, Ruirui Ding, Ning Zhang, Fuli Li*, and Shi’an Wang*. Comprehensive analysis of CRISPR-Cas9 editing outcomes in yeast Xanthophyllomyces dendrorhous. The CRISPR Journal, 2022, 10.1089/crispr.2021.0116.
