「Cell重磅」DNA修複的新研究促進了CRISPR-Cas9基因編輯技術，以及基因編輯大牛劉如謙團隊開發的先導編輯技術的發展

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作者：Daisy

導讀：10月20日，研究人員在《Cell》發表的研究表明，之前在——由創始人華裔生物學家張鋒等人聯合創辦的一家基于CRISPR技術的基因編輯生物科技公司Editas Medicine，詳細介紹了一種稱為Repair-seq的新方法。為了修複DNA，細胞使用許多不同的機制，每一種機制都涉及一組基因，它們以不同的途徑協同工作。研究人員現在合作，通過用Repair-seq同時分析數百個單獨基因如何影響受損部位産生的突變，來探索這些途徑對修複特定DNA損傷的貢獻。然後，研究人員可以生成DNA修複的機制模型，并了解這些機制如何影響基因組編輯。他們應用于最常用的基因組編輯方法之一CRISPR-Cas9。David Liu團隊開發了稱為先導編輯的基因組編輯系統，研究人員也将Repair-seq應用于改進其基因組編輯技術，使其最終成為一種更廣泛适用、準确性更高的基因組編輯技術。

通過改變活細胞内的DNA序列來編輯基因組的能力對于研究來說是強有力的，并且在疾病治療方面具有巨大的前景。然而，現有的基因組編輯技術經常導緻不必要的突變，或者根本無法引入任何變化。這些問題使該領域無法充分發揮其潛力。

10月20日，研究人員在《Cell》發表了一篇題為“Mapping the genetic landscape of DNA double-strand break repair”的文章。

DOI：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.10.002

現在，普林斯頓大學實驗室研究員Britt Adamson與Whitehead研究所成員、麻省理工學院生物學教授、霍華德·休斯醫學研究所研究員Jonathan Weissman和Cecilia Cotta Ramusino實驗室的研究人員合作進行了一項新的研究，以前在Editas Medicine（由MIT的張鋒等人聯合創辦，CRISPR基因編輯領域首家IPO公司），詳細介紹了一種稱為Repair-seq的新方法，該方法詳細揭示了基因組編輯工具的工作原理。

該研究的資深作者，普林斯頓分子生物學系和Lewis Sigler綜合基因組學研究所助理教授Britt Adamson說：“我們早就知道，修複斷裂DNA的機制對于基因組編輯至關重要，因為要改變DNA序列，首先必須破壞它。但這些過程極其複雜，是以往往難以理清。”

為了修複DNA，細胞使用許多不同的機制，每一種機制都涉及一組基因，它們以不同的途徑協同工作。Repair-seq允許研究人員通過同時分析數百個單獨基因如何影響受損部位産生的突變，來探索這些途徑對修複特定DNA損傷的貢獻。然後，研究人員可以生成DNA修複的機制模型，并了解這些機制如何影響基因組編輯。Adamson及其同僚将他們的方法應用于最常用的基因組編輯方法之一CRISPR-Cas9——利用細菌Cas9核酸酶切割雙鍊DNA分子的兩條鍊，造成稱為雙鍊斷裂的損傷。

該研究的第一作者Jeffrey Hussmann在Jonathan Weissman實驗室擔任博士後研究員期間主持了這項工作，他說：“長期以來，利用雙鍊斷裂進行編輯一直是基因組編輯的主要任務，但在不發生不必要的突變的情況下進行預期的改變是一項巨大的挑戰。我們開始了解盡可能多的誘導突變背後的機制，推斷這有助于我們優化系統。”

Repair-seq實驗産生了大量的資料。在Hussmann上司下，對這些資料分析後，繪制了一幅不同的DNA修複途徑如何與特定類型的Cas9誘導突變相聯系的地圖。基于該領域豐富的研究曆史，Hussmann的分析闡明了已知的途徑，并确定了新的途徑，這些途徑共同突出了雙鍊斷裂修複涉及的巨大複雜性和無數系統。這項研究中發現的深層次資料現在釋出在一個線上門戶網站上，其他人可以用它來查詢DNA修複基因和途徑。

另外，麻省理工學院和哈佛大學Broad研究所的David Liu（劉如謙）教授上司的團隊開發了一種稱為“prime editing”（先導編輯）的基因組編輯系統，該系統不依賴于産生雙鍊斷裂。“Prime editing”效率因細胞類型和靶點而異，但研究人員懷疑，确定涉及的DNA修複途徑可能有助于确定改善的途徑。考慮到這一點，Adamson和Hussmann與Liu及其同僚聯手，使用Repair-seq研究“prime editing”。

Adamson說:“合作是一個巨大的好處。對我們來說，這是一次合作和團隊導向科學的奇妙體驗。”

研究人員發現，通過“prime editing”獲得預期編輯的能力受到DNA錯配修複途徑中蛋白質的影響。他們随後表明，抑制或規避該途徑顯著提高了“prime editing”結果的效率和準确性，進而使“prime editing”成為一種更廣泛适用的基因組編輯技術。

Liu 說：“與Britt、Jonathan和他們的實驗室合作是基礎科學、工具應用和技術開發的完美結合，這是多學科合作力量的真實證明。”

重要的是，這項研究還展示了Repair-seq如何用于改進其他基因組編輯技術。事實上，合作的研究人員已經将其應用于第三個基因組編輯系統，該系統也是由Liu的手下團隊的科學家開發的。這項研究的結果最近發表在《Nature Biotechnology》雜志上。

Broad研究所基因擾動項目研究與研發主任Djohn Doench沒有參與這項研究，但他表示：“Repair-seq是技術悟性和生物學洞察力的完美結合。”

他補充說：“對于prime editing的這項新研究來說，這是一個多麼美妙的合作範例！”

今後，該團隊将繼續改進該平台，并将其應用于其他基因組編輯技術。

Adamson說：“我們将Repair-seq視為一種工具，可以讓你詳細了解基因組編輯在細胞内所做的工作，然後很快評估，‘這是一個我可以找到有助于改進該工具的設計原則的領域嗎？’我們非常高興能探索未來的應用。”

這些研究得到了美國國立衛生研究院、霍華德·休斯醫學研究所、塞爾學者計劃、美國國家科學基金會、達蒙·魯尼翁癌症研究基金會、中國獎學金理事會和美國國家癌症研究所的資助。

參考資料：

https://phys.org/news/2021-10-tool-ways-crispr-gene-editing-method.html

注：本文旨在介紹醫學研究進展，不能作為治療方案參考。如需獲得健康指導，請至正規醫院就診。

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