【文献解读】CRISPR筛选系统揭示DNA损伤反应中的合成致死关系_风闻

全面CRISPR筛选揭示DNA修复网络中的脆弱点

2025年4月，Jacob Corn团队在《Nature》杂志发表题为《Comprehensive interrogation of synthetic lethality in the DNA damage response》的研究论文，系统绘制了DNA损伤反应（DNA Damage Response, DDR）核心基因间的遗传互作图谱。研究通过构建SPIDR CRISPRi双向筛选文库，识别出超过5,000对合成致死基因组合，并深入解析了其中两对高评分互作的作用机制。这项工作不仅拓展了我们对基因组稳定性维持机制的理解，还为癌症靶向治疗提供了新的方向。

01 SPIDR平台：构建覆盖DNA修复核心基因的系统筛选体系

为全面揭示DDR通路内在的功能重叠与互补机制，研究者设计了一个名为SPIDR（Systematic Profiling of Interactions in DNA Repair）的CRISPRi双导向文库，靶向548个核心DDR基因，构建近70万个sgRNA组合，并在RPE-1细胞中完成筛选。该系统采用CRISPR干扰（CRISPRi）策略避免了Cas9切割引发的DNA损伤，使其适用于研究对细胞生存至关重要的基因组合。

配合GEMINI变分贝叶斯算法对筛选数据进行高通量建模，研究者成功识别出约5,000对合成致死型基因互作（GEMINI score ≤ –1），涵盖了DNA复制、修复、染色质重塑、转录调控等多个生物学过程。SPIDR文库不仅验证了多个已知互作（如BRCA2与LIG1），还发现了大量新的功能关联，为构建细胞稳态下的遗传互作图谱提供了坚实工具。

图1.CRISPR干扰技术对548个核心DNA修复基因进行筛选

02 机制解析：两对关键合成致死组合揭示基因协同维稳机制

在所有发现中，研究团队聚焦于两组最具代表性的高评分合成致死互作，解析其在维持基因组完整性中的独特功能。

其一，FEN1/LIG1 与 WDR48–USP1 的合成致死性源于PCNA泛素化失调。

当FEN1或LIG1缺失时，DNA复制过程中积累的缺口需靠其他机制补救。WDR48–USP1复合物本应去除RAD18介导的PCNA多泛素修饰以维持其稳定性，缺失则导致PCNA降解，引发复制迟滞、染色体断裂和细胞死亡。研究者还发现，USP1抑制剂对FEN1或LIG1功能低下的细胞具有显著毒性，提示其潜在的临床应用价值。

其二，FANCM 与 SMARCAL1 是两种DNA转座酶，主要负责在TA富集区移除潜在形成十字结构（cruciform）的DNA构象。双缺失会导致这些结构无法及时展开，被ERCC1–ERCC4核酸酶误切而形成染色体断裂。该机制不依赖于复制叉逆转功能，代表了一种新型的结构性基因组损伤源。

图2.双sgRNA竞争生长实验验证LIG1:WDR48、FEN1:WDR48的合成致死性

03 从筛选到治疗：合成致死网络驱动精准肿瘤靶点发现

本研究的另一重要意义在于将合成致死互作图谱与癌症突变数据库（COSMIC）及药物靶点数据库（DGIdb）整合分析，识别出多对理论上可被靶向的小分子-基因组合。例如，携带ERCC2突变的膀胱癌细胞可能对DNA-PKcs抑制剂敏感；而FEN1突变型肿瘤可能对USP1抑制剂更为依赖。此外，FANCM在多种癌症中存在突变，提示SMARCAL1为潜在靶向治疗因子。

随着CRISPR技术不断完善，系统性功能筛选平台如SPIDR将成为发现疾病脆弱性的关键手段。尤其在药物组合设计、耐药机制分析和个体化治疗策略制定中，合成致死图谱提供了可量化、可验证的分子基础。

图3.合成致死网络图谱，标注哪些基因对与癌症突变、小分子靶点重叠

总结与展望: CRISPRi筛选开启功能基因组学精细调控新时代

该研究展示了CRISPRi双向筛选结合高通量分析平台在解析复杂遗传网络中的巨大潜力。通过在无外源压力条件下揭示合成致死互作，SPIDR平台补足了传统CRISPR敲除筛选的盲区，并提出多种可转化的癌症治疗策略。未来，类似技术将在肿瘤、神经退行性疾病、免疫系统紊乱等领域中持续拓展其影响力。

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