Previous studies have modified microbial genomes by introducing gene cassettes containing selectable markers and homologous DNA fragments. However, this requires several steps including homologous recombination and excision of unnecessary DNA regions, such as selectable markers from the modified genome. Further, genomic manipulation often leaves scars and traces that interfere with downstream iterative genome engineering. A decade ago, the CRISPR/Cas system (also known as the bacterial adaptive immune system) revolutionized genome editing technology. Among the various CRISPR nucleases of numerous bacteria and archaea, the Cas9 and Cas12a (Cpf1) systems have been largely adopted for genome editing in all living organisms due to their simplicity, as they consist of a single polypeptide nuclease with a target-recognizing RNA. However, accurate and fine-tuned genome editing remains challenging due to mismatch tolerance and protospacer adjacent motif (PAM)-dependent target recognition. Therefore, this review describes how to overcome the aforementioned hurdles, which especially affect genome editing in higher organisms. Additionally, the biological significance of CRISPR-mediated microbial genome editing is discussed, and future research and development directions are also proposed.
Mitochondrial DNA (mtDNA), a multicopy genome found in mitochondria, is crucial for oxidative phosphorylation. Mutations in mtDNA can lead to severe mitochondrial dysfunction in tissues and organs with high energy demand. MtDNA mutations are closely associated with mitochondrial and age-related disease. To better understand the functional role of mtDNA and work toward developing therapeutics, it is essential to advance technology that is capable of manipulating the mitochondrial genome. This review discusses ongoing efforts in mitochondrial genome editing with mtDNA nucleases and base editors, including the tools, delivery strategies, and applications. Future advances in mitochondrial genome editing to address challenges regarding their efficiency and specificity can achieve the promise of therapeutic genome editing.
Revolutionary advancements, such as the reduction in DNA sequencing costs and genome editing, have transformed biotechnology, fostering progress in manipulating biomolecules, engineering cells, and computational biology. Agriculture and food production have significantly benefited from tools like high-throughput microarrays, accelerating the selection of desired traits. Genetic engineering, especially utilizing genome editing, facilitates precise alterations in plants and animals, harnessing microbiomes and fostering lab-grown meat production to alleviate environmental pressures. The emergence of new biotechnologies, notably genome editing, underscores the necessity for regulatory frameworks governing LM (living modified) organisms. Global regulations overseeing genetically engineered or genome-edited (GE) organisms, encompassing animals, exhibit considerable diversity. Nonetheless, prevailing international regulatory trends typically exclude genomeedited plants and animals, employing novel biotechnological techniques, from GMO/ LMO classification if they lack foreign genes and originate through natural mutations or traditional breeding programs. This comprehensive review scrutinizes ongoing risk and safety assessment cases, such as genome-edited beef cattle and fish in the USA and Japan. Furthermore, it investigates the limitations of existing regulations related to genome editing in Korea and evaluates newly proposed legislation, offering insights into the future trajectory of regulatory frameworks.
Seo Jung Park;Seobin Yoon;Eui-Hwan Choi;Hana Hyeon;Kangseok Lee;Keun Pil Kim
BMB Reports
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v.56
no.2
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pp.102-107
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2023
Genome editing using CRISPR-associated technology is widely used to modify the genomes rapidly and efficiently on specific DNA double-strand breaks (DSBs) induced by Cas9 endonuclease. However, despite swift advance in Cas9 engineering, structural basis of Cas9-recognition and cleavage complex remains unclear. Proper assembly of this complex correlates to effective Cas9 activity, leading to high efficacy of genome editing events. Here, we develop a CRISPR/Cas9-RAD51 plasmid constitutively expressing RAD51, which can bind to single-stranded DNA for DSB repair. We show that the efficiency of CRISPR-mediated genome editing can be significantly improved by expressing RAD51, responsible for DSB repair via homologous recombination (HR), in both gene knock-out and knock-in processes. In cells with CRISPR/Cas9-RAD51 plasmid, expression of the target genes (cohesin SMC3 and GAPDH) was reduced by more than 1.9-fold compared to the CRISPR/Cas9 plasmid for knock-out of genes. Furthermore, CRISPR/Cas9-RAD51 enhanced the knock-in efficiency of DsRed donor DNA. Thus, the CRISPR/Cas9-RAD51 system is useful for applications requiring precise and efficient genome edits not accessible to HR-deficient cell genome editing and for developing CRISPR/Cas9-mediated knockout technology.
Lee, Hyomin K.;Oh, Yeounsun;Hong, Juyoung;Lee, Seung Hwan;Hur, Junho K.
BMB Reports
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v.54
no.2
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pp.98-105
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2021
The clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) system is a family of DNA sequences originally discovered as a type of acquired immunity in prokaryotes such as bacteria and archaea. In many CRISPR systems, the functional ribonucleoproteins (RNPs) are composed of CRISPR protein and guide RNAs. They selectively bind and cleave specific target DNAs or RNAs, based on sequences complementary to the guide RNA. The specific targeted cleavage of the nucleic acids by CRISPR has been broadly utilized in genome editing methods. In the process of genome editing of eukaryotic cells, CRISPR-mediated DNA double-strand breaks (DSB) at specific genomic loci activate the endogenous DNA repair systems and induce mutations at the target sites with high efficiencies. Two of the major endogenous DNA repair machineries are non-homologous end joining (NHEJ) and homology-directed repair (HDR). In case of DSB, the two repair pathways operate in competition, resulting in several possible outcomes including deletions, insertions, and substitutions. Due to the inherent stochasticity of DSB-based genome editing methods, it was difficult to achieve defined single-base changes without unanticipated random mutation patterns. In order to overcome the heterogeneity in DSB-mediated genome editing, novel methods have been developed to incorporate precise single-base level changes without inducing DSB. The approaches utilized catalytically compromised CRISPR in conjunction with base-modifying enzymes and DNA polymerases, to accomplish highly efficient and precise genome editing of single and multiple bases. In this review, we introduce some of the advances in single-base level CRISPR genome editing methods and their applications.
The clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) system, a rapidly advancing genome editing technology, allows DNA alterations into the genome of organisms. Gene editing using the CRISPR system enables more precise and diverse editing, such as single nucleotide conversion, precise knock-in of target sequences or genes, chromosomal rearrangement, or gene disruption by simple cutting. Moreover, CRISPR systems comprising transcriptional activators/repressors can be used for epigenetic regulation without DNA damage. Stem cell DNA engineering based on gene editing tools has enormous potential to provide clues regarding the pathogenesis of diseases and to study the mechanisms and treatments of incurable diseases. Here, we review the latest trends in stem cell research using various CRISPR/Cas technologies and discuss their future prospects in treating various diseases.
The advent of the CRISPR-Cas genome editing platform has greatly enhanced the capabilities of researchers in many areas of biology. Its use has also been turned to the development of therapies for genetic diseases and to the enhancement of cell therapies. This review describes some recent advances in these areas.
Seok, Heeyoung;Deng, Rui;Cowan, Douglas B.;Wang, Da-Zhi
Clinical and Experimental Pediatrics
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v.64
no.6
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pp.269-279
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2021
Clustered regularly interspaced short palindromic repeats and CRISPR-associated protein 9 (CRISPR-Cas9) is an ancient prokaryotic defense system that precisely cuts foreign genomic DNA under the control of a small number of guide RNAs. The CRISPR-Cas9 system facilitates efficient double-stranded DNA cleavage that has been recently adopted for genome editing to create or correct inherited genetic mutations causing disease. Congenital heart disease (CHD) is generally caused by genetic mutations such as base substitutions, deletions, and insertions, which result in diverse developmental defects and remains a leading cause of birth defects. Pediatric CHD patients exhibit a spectrum of cardiac abnormalities such as septal defects, valvular defects, and abnormal chamber development. CHD onset occurs during the prenatal period and often results in early lethality during childhood. Because CRISPR-Cas9-based genome editing technology has gained considerable attention for its potential to prevent and treat diseases, we will review the CRISPR-Cas9 system as a genome editing tool and focus on its therapeutic application for CHD.
The virus-induced genome editing (VIGE) system aims to induce targeted mutations in seeds without requiring any tissue culture. Here, we show that tobacco rattle virus (TRV) harboring guide RNA (gRNA) edits germ cells in a wild tobacco, Nicotiana attenuata, that expresses Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9). We first generated N. attenuata transgenic plants expressing SpCas9 under the control of 35S promoter and infected rosette leaves with TRV carrying gRNA. Gene-edited seeds were not found in the progeny of the infected N. attenuata. Next, the N. attenuata ribosomal protein S5 A (RPS5A) promoter fused to SpCas9 was employed to induce the heritable gene editing with TRV. The RPS5A promoter-driven SpCas9 successfully produced monoallelic mutations at three target genes in N. attenuata seeds with TRV-delivered guide RNA. These monoallelic mutations were found in 2%-6% seeds among M1 progenies. This editing method provides an alternative way to increase the heritable editing efficacy of VIGE.
Human papillomavirus (HPV) is the major cause of cervical cancer, a deadly threat to millions of females. The early oncogene product (E7) of the high-risk HPV16 is the primary agent associated with HPV-related cervical cancers. In order to understand how E7 contributes to the transforming activity, we investigated the structural features of the flexible N-terminal region (46 residues) of E7 by carrying out N-15 heteronuclear NMR experiments and replica exchange molecular dynamics simulations. Several NMR parameters as well as simulation ensemble structures indicate that this intrinsically disordered region of E7 contains two transient (10-20% populated) helical pre-structured motifs that overlap with important target binding moieties such as an E2F-mimic motif and a pRb-binding LXCXE segment. Presence of such target-binding motifs in HPV16 E7 provides a reasonable explanation for its promiscuous target-binding behavior associated with its transforming activity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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