Конверсия гена - это процесс, демонстрирующий однонаправленный перенос генетического материала с "donor" на "acceptor" последовательность [1]. Донорской последовательностью могут быть аллельные и не аллельные последовательности. Напр., паралоги human G gamma (HBG2)- и A gamma-globin (HBG1) гены на той же самой хромосоме [2], и VWF и VWF псевдогены на разных хромосомах [1]. Конверсия гена это результат гомологичной рекомбинации без кроссинговера. Межлокусная конверсия гена участвует в управляемой эволюции семейств генов у людей [2, 3], тогда как межаллельная конверсия гена, как было установлено, повышает аллельное разнообразие [4]. Конверсия генов происходит в основном во время мейоза, но описана и конверсия генов во время митозов в клетках человека [5].

Кластер β globin генов на хромосоме человека 11 состоит из 5 генов паралогов, которые являются Ε globin (HBE1), γ globin 2 (HBG2), γ globin 1 (HBG1), δ globin (HBD) и β globin (HBB) генами. Анализ последовательности HBG2 и HBG1 привел к первому описанию конверсии гена в геноме человека [2]. Др. кластер генов HBB, очень сходен с HBD. Два гена кодируют белки с очень сходными последовательностями (137 из общего числа в 147 аминокислотных остатка идентичны) и функцией [6, 7]. Описана мейотическая конверсия генов между HBB и HBD [3]. Наблюдаемое направление мейотической конверсии генов заключается в переносе HBB последовательности в HBD [8,9,10].

CRISPR/cas9 использует одиночный редактор белков для расщепления ДНК, направляемая с помощью guide RNA (gRNA) [11]. Эта система была использована для получения специфических генетических изменений в клетках людей [12-15]. Мутации в гене HBB вызывают серповидно-клеточную болезнь(SCD) и beta thalassemia, а CRISPR/Cas9 используется для редактирования региона HBB при SCD и генотерапии beta thalassemia [16-20]. Недавно несколько групп наблюдали HBD следы (footprint) в гене HBB при использовании CRISPR/Cas9, чтобы целенаправленно воздействовать на ген HBB[21-23].

Наблюдаемая последовательность HBD в гене HBB может быть индуцированной CRISPR/Cas9 генной конверсией. Однако, она д. также вызываться и с помощью PCR-генерируемого перетаскивания последовательностей. PCR амплификация, как было установлено во многих исследованиях по формированию химер между гомологичными последовательностями [24-27]. Когда вызывали амплификацию 16s rDNA в смеси геномной ДНК из 8 бактерий, чьи 16s rDNA оказывались тождественными в пределах от 73.9 до 94%, то свыше 32% секвенированных клонов оказывались химерными клонами [24]. Кроме того, , Liang et al. наблюдали HBD следы в гене HBB после амплификации ДНК с помощью multiplex displacement амплификации [21], и эта техника, как сообщалось, генерирует химерные молекулы [25]. Учитывая известную возможность образования химер с помощью PCR, необходим дальнейший анализ для определения, действительно ли недавно обнаруженные следы HBD в гене HBB после редактирования гена [21-23] являются результатом генной конверсии или лишь артефактом PCR.

Модель репарации разрывов двойной нити (DSB) при рекомбинации [28] предполагает, что конверсия гена обеспечивает перенос генетической информации с интактной гомологичной последовательности на регионы, содержащие DSBs, это указывает на то, что создание DSBs в гене HBB с помощью CRISPR/Cas9 д. повышать переход генетической информации с HBD на HBB, в противоположность направлению переноса гена при мейотической конверсии гена, которая происходит с HBB на HBD [8-10]. Мы предоставили доказательства, что когда индуцируются DSB in HBB,то следы HBD наблюдаемые в HBB после CRISPR/Cas9-обеспечиваемого редактирования HBB не являются результатом обеспечиваемого PCR перетаскивания последовательностей. Кроме того, величина HBD-HBB генной конверсии прямо пропорциональна величине инсерций и делеций (INDEL) в гене HBB. Хотя HBD может быть использован в качестве матрицы для homology-directed repair (HDR), чтобы репарировать повреждения HBB, экзогенные донорские матрицы с более длинными гомологичными регионами и возможно с большим количеством копий наблюдались более часто в качестве матриц. Перетаскивание генетической информации HBD на HBB, вызываемое с помощью нацеленной на HBB CRISPR/Cas9 наблюдалось в иммортализованных и первичных клетках человека. Когда DSB обнаруживались в гене HBD, то перенос генетической информации в противоположном направлении (HBB --> HBD) также наблюдался. Следовательно, митотическая конверсия генов является одним из проявлений CRISPR/Cas9-обусловленного редактирования генома.

Итак, было установлено, что CRISPR/Cas9 обеспечиваемый однонаправленный перенос последовательности с гомологичного гена в отсутствии DSB или в присутствии DSBs, и было показано, что частота HBD следов в HBB положительно скоррелирована с частотой инсерций и дупликаций в HBB. Было также показано, что целенаправленное воздействие на ген HBD также может вызывать следы в HBB гена HBD. Следовательно, митотическая конверсия генов часто упускается при CRISPR/Cas9-обусловленном редактировании генома.