Cell：新工具Repair-seq可用于改进CRISPR基因编辑

2021年10月31日讯/生物谷BIOON/---通过改变活细胞内的DNA序列来编辑基因组的能力对于研究来说是非常强大的，并为疾病的治疗带来了巨大的希望。然而，现有的基因组编辑技术经常导致不必要的突变，或者根本无法引入任何变化。这些问题使该领域无法发挥它的全部潜力。

如今，在第一项新的研究中，美国普林斯顿大学研究员Britt Adamson、麻省理工学院生物系教授Jonathan Weissman、之前在Editas Medicine公司工作的Cecilia Cotta-Ramusino及其同事们详细介绍了一种名为Repair-seq的新方法，它详细地揭示了基因组编辑工具如何发挥作用。相关研究结果发表在2021年10月28日的Cell期刊上，论文标题为“Mapping the genetic landscape of DNA double-strand break repair”。

Adamson说，“我们早就知道修复断裂的DNA的机制对基因组编辑至关重要，因为要改变DNA的序列，你首先必须让它断裂。但是，这些过程是非常复杂的，因此往往难以理清。”

为了修复DNA，细胞使用了许多不同的机制，每种机制都涉及到一系列在不同途径中协同工作的基因。Repair-seq允许人们通过同时分析数百个基因如何影响在受损部位产生的突变，来探测这些途径对修复特定DNA损伤的贡献。这些作者随后可以构建DNA修复的机制模型，并了解这些机制如何影响基因组编辑。Adamson及其同事们将他们的方法应用于最常用的基因组编辑方法之一，即CRISPR-Cas9，后者采用细菌Cas9核酸酶切过双链DNA分子的两条链，从而产生称为双链断裂的DNA损伤。

论文第一作者、Jonathan Weissman实验室做博士后研究员Jeffrey Hussmann说，“长期以来，利用双链断裂进行编辑一直是基因组编辑的主要手段，但在不发生不必要突变的情况下进行预期的改变一直是一个巨大的挑战。我们着手了解尽可能多的诱导突变背后的机制，认为这可能有助于我们优化这种系统。”

Repair-seq实验产生了大量的数据。由Hussmann领导的对这些数据的分析，产生了不同的DNA修复途径如何与特定类型的Cas9诱导突变相关联的图谱。在该领域丰富的研究历史基础上，Hussmann的分析阐明了已经知道的途径，并确定了新的途径，这些途径共同突出了参与双链断裂修复的巨大复杂性和一系列系统。这项研究中分析的一组深层数据如今被发布在一个在线门户网站（https://seq.repair/）上，其他人可以用这些数据来探究DNA修复基因和途径。

图片来自Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.10.002。

另外，由布罗德研究所的David Liu博士领导的一个研究团队开发了一种称为“引导编辑（prime editing）”的基因组编辑系统，该系统不依赖于构建双链断裂。引导编辑的效率因细胞类型和目标部位的不同而有很大差异，但是他们猜测，确定所涉及的DNA修复途径可能有助于确定对它进行改进的方法。考虑到这一点，Adamson和Hussmann与Liu及其同事们联合起来，利用Repair-seq研究引导编辑。

Adamson说，“一起从事研究有巨大的好处。对我们来说，这是一次合作和团队导向的科学的奇妙经历。”

这一合作让他们发现用引导编辑获得预期编辑的能力受到DNA错配修复途径中蛋白的影响。他们随后证实，抑制或回避该途径极大地提高了引导编辑结果的效率和准确性，这使得引导编辑成为一种更广泛适用的基因组编辑技术。

Liu说，“与Adamson、Weissman和他们的实验室合作，是基础科学、工具应用和技术开发的完美结合--真正证明了多学科合作的力量。”

重要的是，他们的合作研究还展示了Repair-seq如何被用来改进其他基因组编辑技术。事实上，参与这一合作的研究人员已将它应用于第三种基因组编辑系统，该系统也是由Liu领导的科学家开发的。相关研究结果之前发表在Nature Biotechnology.期刊上，论文标题为“Efficient C•G-to-G•C base editors developed using CRISPRi screens, target-library analysis, and machine learning”。

布罗德研究所遗传扰动项目研发主任John Doench（未参与这项新的研究）说，“Repair-seq是技术智慧和生物学洞察力的美丽结合。”他补充说，“对于引导编辑的研究工作来说，这是一个多么美妙的合作范例啊！事实证明，对引导编辑的研究往往是困难的，这篇论文开始理解了其中的原因，同时也启动了新的解决方案。”

展望未来，该团队将继续改进该平台，并将其应用于其他基因组编辑技术。Adamson说，“我们认为Repair-seq是一种工具，它允许你详细了解基因组编辑器在细胞内的工作机制，然后非常迅速地评估：‘在这里，我是否可以找到有助于改进工具的设计原则吗？’我们对探索未来的应用真地很兴奋。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Jeffrey A. Hussmann et al. Mapping the genetic landscape of DNA double-strand break repair. Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.10.002.