2023年12月8日，上海交通大学系统生物医学研究院比较生物医学中心吴强课题组在BMC biology上发表题为“DNA Polymerases in Precise and Predictable CRISPR/Cas9-mediated Chromosomal Rearrangements”的最新研究成果。揭示了DNA聚合酶在CRISPR/Cas9系统介导的精准可预测基因编辑中的关键作用。

第三代基因编辑系统CRISPR/Cas9自从自问世以来，就对生命科学和生物医药产生了巨大影响，在生物育种和粮食安全中也至关重要，是各国抢占的制高点和“卡脖子”技术。但即便如此，人类对Cas9核酸酶这一“魔剪”的切割机理和修复机制还知之甚少。早在2018年，课题组就发现Cas9除钝末端切割活性外，还存在粘性末端切割活性，颠覆了该领域原有的认知（Molecular Cell, 2018）。2019年，课题组又在已有工作的基础上，利用一系列体内外实验拓展了人们对Cas9粘性末端切割活性的认识，总结出Cas9除以往认知的可以产生单碱基突出外，还可在PAM上游远至-6位切割产生更长的5’突出（Cell Discovery, 2019）。

虽然Cas9存在粘性末端的切割活性已得到了证实，但长期以来负责补平这种粘性末端的DNA聚合酶未被报导。本工作对细胞内DNA聚合酶进行了研究，结合高通量测序手段对其在基因编辑中的功能进行了探究，发现Polq和Poll在精准可预测基因编辑中发挥重要作用。

通过构建两种基因报告系统，发现Polq和Poll均可抑制大片段删除。Polq敲低表现为MMEJ修复机制的破坏，会导致小片段删除频率的降低和大片段删除频率的增加。除此之外，还对小片段删除产生的具体机制进行了阐释，表明在体1bp和大于1bp的删除是由不同修复通路介导的。进一步研究发现，Polq抑制1bp的删除，但促进大于1bp的删除；Poll的作用则与之相反。最后，本研究发现Poll是负责补平Cas9粘性末端的DNA聚合酶。

DNA聚合酶在精准基因编辑中的作用机制

总之，本项研究有助于我们对基因编辑“魔剪”Cas9核酸酶切割及修复机制的认识，对于实现可控的精准基因编辑具有重要意义。本研究由上海交通大学独立完成，吴强为通讯作者，博士生Mohammadreza Mehryar和石欣为共同第一作者，李经纬博士参与了该项研究。该研究得到科技部、国家自然科学基金委员会和上海市科委的资助。

BMC biology | 上海交大吴强课题组在精准基因编辑机制研究中取得新进展