科学家们普遍认为,细胞通过随机地插入一组核苷酸来修复CRISPR/Cas9系统诱导的DNA断裂。这通常会破坏任何位于发生断裂的DNA位点处的基因。科学家们已知细胞有时利用供者DNA来修复细胞基因组中的断裂。然而,这种供者DNA序列本身不会自我插入到细胞基因组中的空白位点上。相反,这种供者DNA的每个末端都存在着一种同源臂(homology arm)以便封闭这种切割造成的空隙。
在一项新的研究中,来自美国约翰霍普金斯大学的研究人员将不同的供者DNA组合插入到人胚胎肾细胞中,这些细胞以其生长良好的能力和经常用于癌症研究中而为人所知。他们使用携带着编码一种绿色荧光蛋白的基因的供者DNA,当这种基因成功地插入到细胞基因组中时,这种绿色荧光蛋白就会在细胞的核膜上发出绿色荧光。相关研究结果于2017年11月27日在线发表在PNAS期刊上,论文标题为“Precision genome editing using synthesis-dependent repair of Cas9-induced DNA breaks”。
具体而言,这些研究人员发现长度为33~38nt的同源臂与长度为518nt的同源臂具有相同的编辑成功率,在最佳条件下产生10%~20%的编辑成功率。相反之下,当他们利用长度为15~16nt的同源臂进行测试时,这种基因插入成功率下降了一半。他们在人基因组的三个不同的位点上重复了这些结果。他们还发现新插入的DNA序列能够长达1000nt(不包括同源臂)。
这些研究人员利用长度为57~993nt的供者DNA序列取得的编辑成功率在10%~50%。更短的供者DNA要比更长的供者DNA取得更高的编辑成功率。比如,长57nt的供者DNA、长714nt的供者DNA和长993nt的供者DNA插入到细胞基因组靶位点上的成功率分别为45.5%、23.5%和17.9%。当长度超过1000nt时,长1122nt的供者DNA和长2229nt的供者DNA具有非常低的插入成功率---大约为0.5%。