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普林斯顿大学主导的研究促进了CRISPR基因编辑的前景

通过改变活细胞内的DNA序列来编辑基因组的能力对研究来说很强大,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充分发挥其潜力。

Two ambulances careen towards a broken part of a strand of DNA which is magnified by a glass

普林斯顿大学的布里特·亚当森领导的研究人员发现了一种改进CRISPR-Cas9基因编辑方法的新工具。他们称之为Repair-seq,这里用放大镜表示。Repair-seq可以让研究人员快速了解修复DNA损伤(救护车)的不同基因如何影响基因组编辑技术的准确性和效率。

现在,普林斯顿大学的布里特·亚当森的实验室与麻省理工学院的乔纳森·魏斯曼和Editas医药公司的合作者进行了一项研究,详细介绍了一种名为Repair-seq的新方法,揭示了基因组编辑工具是如何工作的。

“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的序列,就必须先破坏它,”该研究的资深作者、普林斯顿大学分子生物系(Princeton Department of Molecular Biology)助理教授亚当森说。“但这些过程非常复杂,因此往往很难理清。”

为了修复DNA,细胞使用许多不同的机制,每一种机制都涉及几个基因以不同的途径协同工作。repair -seq允许研究人员通过分析当这些因素之一被移除时,观察到的突变是如何变化的,从而探查这些路径对DNA修复的贡献,并同时对数百个基因进行此操作。

这让科学家可以提出有关DNA修复生物学的基本问题,并调查DNA修复机制如何影响基因组编辑技术。亚当森和同事们首先将他们的方法应用于最常用的基因组编辑方法之一,即使用细菌Cas9核酸酶切断双链DNA分子的两条链,产生称为双链断裂的损伤。

Britt Adamson照片由ysameer A. Khan/Fotobuddy拍摄

“长时间以来,用双链断裂进行编辑一直是基因组编辑的主要工作,但在不发生不必要突变的情况下做出预期的改变一直是一个巨大的挑战。我们开始了解尽可能多的这些突变事件背后的机制,认为这可以帮助我们优化系统,”亚当森说。

第一作者杰夫·胡斯曼是乔纳森·韦斯曼实验室的博士后研究员,他领导的研究小组利用repair -seq的数据绘制出不同的DNA修复路径如何与特定类型的cas9诱导突变相关联。

Hussmann的分析发现了在双链断裂修复中已经知道的路径和新的路径。它还突出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修复途径或蛋白质。

巧合的是,当这些初步研究即将完成时,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)领导的一个团队正在开发一种名为“启动编辑”(prime editing)的基因组编辑系统,该系统不依赖于产生双链断裂。启动编辑的成功率通常很低,但Adamson和Hussmann认为,研究参与启动编辑的DNA修复路径可能有助于确定改进的途径,所以他们与Liu合作,使用repair -seq研究启动编辑。

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,通过启动编辑获得预期编辑的能力受到一个修复途径中的蛋白质的影响:DNA错配修复途径。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——定位启动子编辑成为一项卓越的基因组编辑技术。

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。

为了进一步证明Repair-seq的效用,合作的研究人员还将其应用于第三种基因组编辑系统技术,该技术也是由刘开发的。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。

“我们将Repair-seq视为一种工具,它可以让你对编辑们正在做的事情进行详细的了解,然后非常迅速地评估,‘在这种环境中,我是否可以看到自己的设计原则,从而帮助改进这个工具?”亚当森说。“我们非常高兴能够改进Repair-seq,并探索其未来的应用。”

“映射的遗传景观DNA双链断裂修复,”杰弗里·a·Hussmann,佳凌,Purnima Ravisankar,小君,安奇林乔内,阿尔伯特·徐,丹尼·辛普森,滇杨,安妮削,塞西莉亚Cotta-Ramusino,乔纳森·s·斯曼和布瑞特·亚当森发表在10月20日出版的《细胞(DOI: 10.1016 / j.cell.2021.10.002)。该研究得到了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的资助,资助编号为1RM1HG009490 (J.S.W.)、1R35GM138167-01 (B.S.A.)、5P30CA072720-22 (B.S.A.)和T32HG003284 (Princeton QCB培训拨款)。B.S.A.由塞尔学者计划支持。

“通过识别和操纵编辑结果的细胞决定因素来增强素编辑系统,”由彼得·j·陈,杰弗里·a·Hussmann,小君,弗雷德里克•Knipping Purnima Ravisankar,《陈,陈Cidi,詹姆斯·w·纳尔逊·格雷戈里·a·纽比穆斯塔法,乔纳森·s·斯曼马克·j·奥斯本布瑞特·亚当森和大卫·r·刘,发表在10月14日出版的《细胞(DOI: 10.1016 / j.cell.2021.09.018)。除了上面提到的来源,这项研究还得到了Merkin医疗保健转型技术研究所、美国国立卫生研究院U01AI142756和R01EB031172、Loulou基金会和Bill &梅林达•盖茨基金会。