Site-specific DNA insertion into the human genome with engineered recombinases

重组酶 生物 DNA 计算生物学 人类基因组 基因组工程 基因组 同源重组 整合酶 DNA修复 遗传学 基因组编辑 Cre-Lox重组 DNA测序 基因靶向 基因 插入 基因组不稳定性 功能基因组学 转座因子 合成生物学 基因组学 基因组DNA 同源定向修复 FLP-FRT重组 DNA损伤 基因组文库 基因座(遗传学) 体外重组 细胞生物学 外源DNA
作者
Alison Fanton,Liam J. Bartie,Juliana Q. Martins,Vincent Q. Tran,Laine Goudy,Courtney Kernick,Matthew G. Durrant,Jingyi Wei,Zev Armour-Garb,April Pawluk,Silvana Konermann,Alexander Marson,Luke A. Gilbert,Theodore L. Roth,Patrick D. Hsu
出处
期刊:Nature Biotechnology [Nature Portfolio]
被引量:7
标识
DOI:10.1038/s41587-025-02895-3
摘要

Insertions of large DNA sequences into the genome are broadly enabling for research and therapeutic applications. Large serine recombinases (LSRs) can mediate direct, site-specific genomic integration of multi-kilobase DNA sequences without a pre-installed landing pad, albeit with low insertion rates and high off-target activity. Here we present an engineering roadmap for jointly optimizing their DNA recombination efficiency and specificity. We combine directed evolution, structural analysis and computational models to rapidly identify additive mutational combinations. We further enhance performance through donor DNA optimization and dCas9 fusions, enabling simultaneous target and donor recruitment. Our top engineered LSR variants, superDn29-dCas9, goldDn29-dCas9 and hifiDn29-dCas9, achieve up to 53% integration efficiency and 97% genome-wide specificity at an endogenous human locus and effectively integrate large DNA cargoes up to 12 kb for stable expression in non-dividing cells, stem cells and primary human T cells. Rational engineering of DNA recombinases enables precise and efficient single-step genome insertion for diverse applications across gene and cell therapies.
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