【Cell重磅】DNA修复的新研究促进了CRISPR-Cas9基因编辑技术，以及基因编辑大牛刘如谦团队开发的先导编辑技术的发展

10月20日，研究人员在《Cell》发表的研究表明，之前在——由创始人华裔生物学家张锋等人联合创办的一家基于CRISPR技术的基因编辑生物科技公司Editas Medicine，详细介绍了一种称为Repair-seq的新方法。为了修复DNA，细胞使用许多不同的机制，每一种机制都涉及一组基因，它们以不同的途径协同工作。研究人员现在合作，通过用Repair-seq同时分析数百个单独基因如何影响受损部位产生的突变，来探索这些途径对修复特定DNA损伤的贡献。然后，研究人员可以生成DNA修复的机制模型，并了解这些机制如何影响基因组编辑。他们应用于最常用的基因组编辑方法之一CRISPR-Cas9。David Liu团队开发了称为先导编辑的基因组编辑系统，研究人员也将Repair-seq应用于改进其基因组编辑技术，使其最终成为一种更广泛适用、准确性更高的基因组编辑技术。

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强有力的，并且在疾病治疗方面具有巨大的前景。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充分发挥其潜力。

10月20日，研究人员在《Cell》发表了一篇题为“Mapping the genetic landscape of DNA double-strand break repair”的文章。

现在，普林斯顿大学实验室研究员Britt Adamson与Whitehead研究所成员、麻省理工学院生物学教授、霍华德·休斯医学研究所研究员Jonathan Weissman和Cecilia Cotta Ramusino实验室的研究人员合作进行了一项新的研究，以前在Editas Medicine（由MIT的张锋等人联合创办，CRISPR基因编辑领域首家IPO公司），详细介绍了一种称为Repair-seq的新方法，该方法详细揭示了基因组编辑工具的工作原理。

该研究的资深作者，普林斯顿分子生物学系和Lewis Sigler综合基因组学研究所助理教授Britt Adamson说：“我们早就知道，修复断裂DNA的机制对于基因组编辑至关重要，因为要改变DNA序列，首先必须破坏它。但这些过程极其复杂，因此往往难以理清。”

为了修复DNA，细胞使用许多不同的机制，每一种机制都涉及一组基因，它们以不同的途径协同工作。Repair-seq允许研究人员通过同时分析数百个单独基因如何影响受损部位产生的突变，来探索这些途径对修复特定DNA损伤的贡献。然后，研究人员可以生成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及其同事将他们的方法应用于最常用的基因组编辑方法之一CRISPR-Cas9——利用细菌Cas9核酸酶切割双链DNA分子的两条链，造成称为双链断裂的损伤。

该研究的第一作者Jeffrey Hussmann在Jonathan Weissman实验室担任博士后研究员期间主持了这项工作，他说：“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任务，但在不发生不必要的突变的情况下进行预期的改变是一项巨大的挑战。我们开始了解尽可能多的诱导突变背后的机制，推断这有助于我们优化系统。”

Repair-seq实验产生了大量的数据。在Hussmann领导下，对这些数据分析后，绘制了一幅不同的DNA修复途径如何与特定类型的Cas9诱导突变相联系的地图。基于该领域丰富的研究历史，Hussmann的分析阐明了已知的途径，并确定了新的途径，这些途径共同突出了双链断裂修复涉及的巨大复杂性和无数系统。这项研究中发现的深层次数据现在发布在一个在线门户网站上，其他人可以用它来查询DNA修复基因和途径。

另外，麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所的David Liu（刘如谦）教授领导的团队开发了一种称为“prime editing”（先导编辑）的基因组编辑系统，该系统不依赖于产生双链断裂。“Prime editing”效率因细胞类型和靶点而异，但研究人员怀疑，确定涉及的DNA修复途径可能有助于确定改善的途径。考虑到这一点，Adamson和Hussmann与Liu及其同事联手，使用Repair-seq研究“prime editing”。

Adamson说:“合作是一个巨大的好处。对我们来说，这是一次合作和团队导向科学的奇妙体验。”

研究人员发现，通过“prime editing”获得预期编辑的能力受到DNA错配修复途径中蛋白质的影响。他们随后表明，抑制或规避该途径显著提高了“prime editing”结果的效率和准确性，从而使“prime editing”成为一种更广泛适用的基因组编辑技术。

Liu 说：“与Britt、Jonathan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，这是多学科合作力量的真实证明。”

重要的是，这项研究还展示了Repair-seq如何用于改进其他基因组编辑技术。事实上，合作的研究人员已经将其应用于第三个基因组编辑系统，该系统也是由Liu的手下团队的科学家开发的。这项研究的结果最近发表在《Nature Biotechnology》杂志上。

Broad研究所基因扰动项目研究与研发主任Djohn Doench没有参与这项研究，但他表示：“Repair-seq是技术悟性和生物学洞察力的完美结合。”

他补充说：“对于prime editing的这项新研究来说，这是一个多么美妙的合作范例！”

今后，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：“我们将Repair-seq视为一种工具，可以让你详细了解基因组编辑在细胞内所做的工作，然后很快评估，‘这是一个我可以找到有助于改进该工具的设计原则的领域吗？’我们非常高兴能探索未来的应用。”

这些研究得到了美国国立卫生研究院、霍华德·休斯医学研究所、塞尔学者计划、美国国家科学基金会、达蒙·鲁尼翁癌症研究基金会、中国奖学金理事会和美国国家癌症研究所的资助。

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