DNA修复的研究促进了基因编辑技术的发展

研究人员开发了一种新的方法来分析参与纠正DNA损伤的细胞基因的活性，并应用该方法为基因组编辑技术的显著改进铺平了道路。

　　

现在,新的研究实验室的普林斯顿大学研究员Britt亚当森,与合作者进行实验室的乔纳森·斯曼怀特黑德研究所的成员和麻省理工Insittute生物学教授和霍华德休斯医学研究所的研究员,和塞西莉亚Cotta-Ramusino,这本书详细介绍了一种名为Repair-seq的新方法，它详细揭示了基因组编辑工具的工作原理。

“我们早就知道，修复受损DNA的机制对基因组编辑至关重要，因为要改变DNA序列，首先必须破坏它，”该研究的资深作者、普林斯顿大学分子生物系和刘易斯-西格勒综合基因组学研究所的助理教授布里特·亚当森说。“但这些过程非常复杂，因此往往很难理清。”

为了修复DNA，细胞使用了许多不同的机制，每一种机制都涉及到一系列以不同途径协同工作的基因。repair -seq允许研究人员通过同时分析数百个单个基因如何影响损伤位点产生的突变，来探索这些路径对特定DNA损伤修复的贡献。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和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CRISPR-Cas9，该方法使用细菌Cas9核酸酶来切断双链DNA分子的两条链，产生称为双链断裂的损伤。

该研究的第一作者杰弗里·胡斯曼(Jeffrey Hussmann)说:“长期以来，用双链断裂进行编辑一直是基因组编辑的主要工作，但在不产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。”胡斯曼在乔纳森·韦斯曼(Jonathan Weissman)的实验室做博士后研究时进行了这项工作。“我们开始了解尽可能多的诱导突变背后的机制，认为这可以帮助我们优化系统。”

Repair-seq实验产生了大量的数据。在Hussmann的领导下，对这些数据进行分析后，绘制出了一张不同的DNA修复路径如何与特定类型的cas9诱导突变相关联的地图。基于该领域丰富的研究历史，Hussmann的分析阐明了已知的路径，并确定了新的路径，这些路径共同强调了双链断裂修复中涉及的巨大复杂性和无数系统。这项工作中发现的深层次数据现在被发布在一个在线门户网站上，其他人可以用它来询问DNA修复基因和途径。

另外，由麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所(Broad Institute of MIT and Harvard)的大卫·刘(David Liu)领导的一个团队开发了一种名为“先导编辑”的基因组编辑系统，不依赖于产生双链断裂。质能编辑效率因细胞类型和靶位点的不同而有很大差异，但研究人员怀疑，识别相关的DNA修复路径可能有助于识别改进的途径。考虑到这一点，Adamson和Hussmann与Liu和同事一起使用Repair-seq研究prime编辑。

亚当森说:“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。”

合作的研究人员发现，利用先导编辑获得预期编辑的能力受到DNA错配修复途径中的蛋白质的影响。他们随后表明，抑制或回避这一途径极大地提高了启动子编辑结果的效率和准确性——使这种编辑成为一种更广泛适用的基因组编辑技术。

刘说:“与布里特、乔纳森和他们的实验室的合作是基础科学、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，这项工作也证明了Repair-seq可以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，该系统也是由刘的手下的科学家开发的。这项研究的结果最近发表在《自然生物技术》杂志上。

“Repair-seq是技术智慧和生物学洞察力的完美结合，”布罗德研究所(Broad Institute)基因干扰项目(Genetic disturbance Program)研发主任约翰·多恩奇(john Doench)说，他没有参与这项工作。

“而主编的工作，是多么好的合作范例啊!”事实证明，与首席编辑一起工作往往很困难，本文开始理解其中的原因，同时也启动了新的解决方案，”他补充道。

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。

“我们把Repair-seq看作一种工具，它可以让你对基因组编辑器在细胞内的工作进行详细的了解，然后非常迅速地评估，‘在这种环境中，我能找到有助于改进该工具的设计原则吗?”亚当森说。“我们很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(National Institutes of Health)、霍华德休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)、塞尔学者计划(Searle Scholars Program)、美国国家科学基金会(National Science Foundation)、达蒙鲁尼恩癌症研究基金会(Damon Runyon Cancer Research Foundation)、中国国家留学基金委(China Scholarship Council)和美国国家癌症研究所(National Cancer Institute)的资助。

Journal References:

1. Jeffrey A. Hussmann, Jia Ling, Purnima Ravisankar, Jun Yan, Ann Cirincione, Albert Xu, Danny Simpson, Dian Yang, Anne Bothmer, Cecilia Cotta-Ramusino, Jonathan S. Weissman, Britt Adamson. Mapping the genetic landscape of DNA double-strand break repair. Cell, 2021 DOI: 10.1016/j.cell.2021.10.002

2. Peter J. Chen, Jeffrey A. Hussmann, Jun Yan, Friederike Knipping, Purnima Ravisankar, Pin-Fang Chen, Cidi Chen, James W. Nelson, Gregory A. Newby, Mustafa Sahin, Mark J. Osborn, Jonathan S. Weissman, Britt Adamson, David R. Liu. Enhanced prime editing systems by manipulating cellular determinants of editing outcomes. Cell, 2021; DOI: 10.1016/j.cell.2021.09.018