Abstract Applications of genome editing ultimately depend on DNA repair triggered by targeted double-strand breaks (DSBs). However, repair mechanisms in human cells remain poorly understood and vary across different cell types. Here we report that DSBs selectively induced on a mutant allele in heterozygous human embryos are repaired by gene conversion using an intact wildtype homolog as a template in up to 40% of targeted embryos. We also show that targeting of homozygous loci facilitates an interplay of non-homologous end joining (NHEJ) and gene conversion and results in embryos which carry identical indel mutations on both loci. Additionally, conversion tracks may expand bidirectionally well beyond the target region leading to an extensive loss of heterozygosity (LOH). Our study demonstrates that gene conversion and NHEJ are two major DNA DSB repair mechanisms in preimplantation human embryos. While gene conversion could be applicable for gene correction, extensive LOH presents a serious safety concern.

Purpose: Previously we identified POU6F2 as a genetic link between central corneal thickness (CCT) and risk of open-angle glaucoma. The present study is designed to characterize the POU6F2-positive retinal ganglion cells (RGCs). Methods: The Thy1-YFP-H mouse was used to identify the structure of POU6F2-positive RGCs in the retina. In the retina of the Thy1-YFP-H mouse approximately 3% of the RGCs were labeled with yellow fluorescent protein. These retinas were stained for POU6F2 to identify the morphology of the POU6F2 subtypes in 3D reconstructions of the labeled RGCs. Multiple retinal cell markers were also co-stained with POU6F2 to characterize the molecular signature of the POU6F2-positive RGCs. DBA/2J glaucoma models were used to test the role of POU6F2 in injury. Results: In the retina POU6F2 labels 32.9% of the RGCs in the DBA/2J retina (16.1% heavily and 16.8% lightly labeled). In 3D constructions of Thy1-YFP-H positive RGCs, the heavily labeled POU6F2-positive cells had dendrites in the inner plexiform layer that were bistratified and appeared to be ON-OFF directionally selective cells. The lightly labeled POU6F2 RGCs displayed 3 different dendritic distributions, with dendrites in the ON sublaminae only, OFF sublaminae only, or bistratified. The POU6F2-positive cells partially co-stained with Cdh6. The POU6F2-positive cells do not co-stain with CART and SATB2 (markers for ON-OFF directionally selective RGC), SMI32 (a marker for alpha RGCs), or ChAT and GAD67(markers for amacrine cells). The POU6F2-positive cells were sensitive to injury. In DBA/2J glaucoma model, at 8 months of age there was a 22% loss of RGCs (labeled with RBPMS) while there was 73% loss of the heavily labeled POU6F2 RGCs. Conclusions: POU6F2 is a marker for a novel group of RGC subtypes that are ON-OFF directionally selective RGCs that are sensitive to glaucomatous injury.

The present study was designed to identify genomic loci modulating the susceptibility of retinal ganglion cells (RGC) to elevated intraocular pressure (IOP) in the BXD recombinant inbred mouse strain set. IOP was elevated by injecting magnetic microspheres into the anterior chamber and blocking the trabecular meshwork using a handheld magnet to impede drainage. The IOP was then measured over the next 21 days. Only animals with IOP greater than 25 mmHg for two consecutive days or an IOP above 30 mmHg on a single day after microsphere-injection were used in this study. On day 21, mice were sacrificed and the optic nerve was processed for histology. Axons were counted for both the injected and the control eye in 49 BXD strains, totaling 181 normal counts and 191 counts associated with elevated IOP. The axon loss for each strain was calculated and the data were entered into genenetwork.org. The average number of normal axons in the optic nerve across all strains was 54,788, which dropped to 49,545 in animals with artificially elevated IOP. Interval mapping demonstrated a relatively similar genome-wide map for both conditions with a suggestive Quantitative Trait Locus (QTL) on proximal Chromosome 3. When the relative axon loss was used to generate a genome-wide interval map, we identified one significant QTL (p<0.05) on Chromosome 18 between 56 and 58 Mb. Within this region, the best candidate gene for modulating axon loss was Aldh7a1. In the mouse, we demonstrated the expression of ALDH7A1 in RGCs. When we examined the NEIGHBORHOD database (Glaucoma GWAS), there was no significant association of ALDH7A1 with human primary open-angle glaucoma. We identified a significant QTL on chromosome 18 that modulates axon loss following IOP elevation in the BXD family of mice. Our results suggest that genomic background influences susceptibility to RGC degeneration and death in an inducible glaucoma model.