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 targeted nuclease clustered, regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins (CRISPR/Cas) system has recently emerged as a prominent gene manipulation method. Because of its ease in programming targeted DNA/protein binding through RNA in a vast range of organisms, this prokaryotic defense system is a versatile tool with many applications in the research field as well as high potential in agricultural and clinical improvements. This review will present a brief history that led to its discovery and adaptation. We also present some of its restrictions, and modifications that have been performed to overcome such restrictions, focusing specifically on the most common CRISPR/Cas9 mediated non-homologous end joint repair.
Programmable nucleases, which include zinc-finger nucleases (ZFNs), transcription activator-like effector nucleases (TALENs), and RNA-guided engineered nucleases (RGENs) repurposed from the type II clustered, regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-CRISPR-associated protein 9 (Cas9) system are now widely used for genome editing in higher eukaryotic cells and whole organisms, revolutionising almost every discipline in biological research, medicine, and biotechnology. All of these nucleases, however, induce off-target mutations at sites homologous in sequence with on-target sites, limiting their utility in many applications including gene or cell therapy. In this review, we compare methods for detecting nuclease off-target mutations. We also review methods for profiling genome-wide off-target effects and discuss how to reduce or avoid off-target mutations.
Since the development of the first genetically-modified mouse, transgenic animals have been utilized for a wide range of industrial applications as well as basic research. To date, these transgenic animals have been used in functional genomics studies, disease models, and therapeutic protein production. Recent advances in genome modification techniques such zinc finger nuclease (ZFN), transcription activator-like effector nucleases (TALEN), and clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRIPSR)-Cas9, have led to rapid advancement in the generation of genome-tailored livestock, as well as experimental animals; however, the development of genome-edited poultry has shown considerably slower progress compared to that seen in mammals. Here, we will focus primarily on the technical strategies for production of transgenic and gene-edited chickens, and their potential for future applications.
Chimeric antigen receptor (CAR) T-cell therapy, an emerging immunotherapy, has demonstrated promising clinical results in hematological malignancies including B-cell malignancies. However, accessibility to this transformative medicine is highly limited due to the complex process of manufacturing, limited options for target antigens, and insufficient anti-tumor responses against solid tumors. Advances in gene-editing technologies, such as the development of Zinc Finger Nucleases (ZFNs), Transcription Activator-Like Effector Nucleases (TALENs), and Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR/Cas9), have provided novel engineering strategies to address these limitations. Development of next-generation CAR-T cells using gene-editing technologies would enhance the therapeutic potential of CAR-T cell treatment for both hematologic and solid tumors. Here we summarize the unmet medical needs of current CAR-T cell therapies and gene-editing strategies to resolve these challenges as well as safety concerns of gene-edited CAR-T therapies.
Avian influenza viruses (AIVs) must utilize host cellular factors to complete their life cycle, and fragile X mental retardation protein (FMRP) has been reported to be a host factor promoting AIV ribonucleoprotein (vRNP) assembly and exports vRNP from the nucleus to the cytoplasm. The functional role of chicken FMRP translational regulator 1 (cFMR1) as a host factor of AIV is, however, poorly understood. In this study, we targeted the cFMR1 gene in DF1 cells using clustered regularly interspaced short palindromic repeats/Cas9-mediated genome editing to examine the functional role of cFMR1 as a host factor of AIV. We found that cFMR1 stimulated viral gene transcription during early stages of the viruses' life cycle and did not affect viral progeny production and viral polymerase activity in DF1 cells 24 hours post infection. cFMR1 overexpression did not exert significant effects on virus production, compared to the control. Therefore, unlike in mammalian systems (e.g., humans or mice), cFMR1 did not play a pivotal role in AIV but only seemed to stimulate viral proliferation during early stages of the viral life cycle. These results imply that the interplay between host factors and AIV differs between mammals and avian species, and such differences should be considered when developing anti-viral drugs for birds or establishing AIV-resistant bird models.
Kim, Seung-Yeon;Kim, Ga-Yeon;You, Hyeong-Ju;Kang, Man-Jong
Animal Bioscience
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v.35
no.1
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pp.126-137
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2022
Objective: Efficient gene editing technology is critical for successful knock-in in domestic animals. RAD51 recombinase (RAD51) gene plays an important role in strand invasion during homologous recombination (HR) in mammals, and is regulated by checkpoint kinase 1 (CHK1) and CHK2 genes, which are upstream elements of RAD51 recombinase (RAD51). In addition, mismatch repair (MMR) system is inextricably linked to HR-related pathways and regulates HR via heteroduplex rejection. Thus, the aim of this study was to investigate whether clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated 9 (CRISPR/Cas9)-mediated knock-in efficiency of human lactoferrin (hLF) knock-in vector in the bovine β-casein gene locus can be increased by suppressing DNA MMR-related genes (MSH2, MSH3, MSH6, MLH1, and PMS2) and overexpressing DNA double-strand break (DSB) repair-related genes (RAD51, CHK1, CHK2). Methods: Bovine mammary epithelial (MAC-T) cells were transfected with a knock-in vector, RAD51, CHK1, or CHK2 overexpression vector and CRISPR/sgRNA expression vector to target the bovine β-casein gene locus, followed by treatment of the cells with CdCl2 for 24 hours. After 3 days of CdCl2 treatment, the knock-in efficiency was confirmed by polymerase chain reaction (PCR). The mRNA expression levels of DNA MMR-related and DNA DSB repair-related genes were assessed by quantitative real-time PCR (RT-qPCR). Results: Treatment with CdCl2 decreased the mRNA expression of RAD51 and MMRrelated genes but did not increase the knock-in efficiency in MAC-T cells. Also, the overexpression of DNA DSB repair-related genes in MAC-T cells did not significantly affect the mRNA expression of MMR-related genes and failed to increase the knock-in efficiency. Conclusion: Treatment with CdCl2 inhibited the mRNA levels of RAD51 and DNA MMR-related genes in MAC-T cells. However, the function of MMR pathway in relation to HR may differ in various cell types or species.
The evolution of genome editing technology based on CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) system has led to a paradigm shift in biological research. CRISPR/Cas9-guide RNA complexes enable rapid and efficient genome editing in mammalian cells. This system induces double-stranded DNA breaks (DSBs) at target sites and most DNA breakages induce mutations as small insertions or deletions (indels) by non-homologous end joining (NHEJ) repair pathway. However, for more precise correction as knock-in or replacement of DNA base pairs, using the homology-directed repair (HDR) pathway is essential. Until now, many trials have greatly enhanced knock-in or substitution efficiency by increasing HDR efficiency, or newly developed methods such as Base Editors (BEs). However, accuracy remains unsatisfactory. In this review, we summarize studies to overcome the limitations of HDR using the CRISPR system and discuss future direction.
As advanced sequencing technologies continue to uncover an increasing number of variants in genes associated with human genetic diseases, there is a growing demand for systematic approaches to assess the impact of these variants on human development, health, and disease. While in silico analyses have provided valuable insights, it is essential to complement these findings with model organism studies to determine the functional consequences of genetic variants in vivo. Drosophila melanogaster is an excellent genetic model for such functional studies due to its efficient genetic technologies, high gene conservation with humans, accessibility to mutant fly resources, short life cycles, and cost-effectiveness. The traditional GAL4-UAS system, allowing precise control of gene expression through binary regulation, is frequently employed to assess the effects of monoallelic variants. Recombinase medicated cassette exchange or CRISPR-Cas9-mediated GAL4 insertion within coding introns or substitution of gene body with Kozak-Gal4 result in the loss-of-function of the target gene. This GAL4 insertion strategy also enables the expression of reference complementary DNA (cDNA) or cDNA carrying genetic variants under the control of endogenous regulatory cis elements. Furthermore, the CRISPR-Cas9-directed tissue-specific knockout and cDNA rescue system provides the flexibility to investigate candidate variants in a tissue-specific and/or developmental-timing dependent manner. In this review, we will delve into the diverse genetic techniques available in Drosophila and their applications in diagnosing and studying numerous undiagnosed diseases over the past decade.
Upon gene inactivation in animal models, the zebrafish (Danio rerio) has become a useful model organism for many reasons, including the fact that it is amenable to various forms of genetic manipulation. Genome editing is a type of genetic engineering in which DNA is inserted, deleted, modified, or replaced in the genome of a living organism. Mainly, CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) Cas9 (CRISPR-associated protein 9) is a technology that enables geneticists to edit parts of the genome. In this study, we utilized this technology to generate an mmp15b mutant by using zebrafish as an animal model. MMP15 is the membrane-type MMP (MT-MMP) which is a recently identified matrix metalloproteinase (MMP) capable of degrading all kinds of extracellular matrix proteins as well as numerous bioactive molecules. Although the newly-established mmp15b zebrafish mutant didn't exhibit morphological phenotypes in the developing embryos, it might be further utilized to understand the role of MMP15 in liver-related diseases, such as liver fibrosis, and associated pathogeneses in humans.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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