High-yield genome engineering in primary cells using a hybrid ssDNA repair template and small-molecule cocktails

清脆的 基因组编辑 DNA Cas9 基因 质粒 转基因 模板 计算生物学 同源定向修复 基因组 生物 化学 分子生物学 遗传学 DNA修复 纳米技术 核苷酸切除修复 材料科学
作者
Brian R. Shy,Vivasvan S. Vykunta,Alvin Ha,Alexis Talbot,Theodore L. Roth,David N. Nguyen,Wolfgang Pfeifer,Yan Yi Chen,Franziska Blaeschke,Eric Shifrut,Shane Vedova,Murad R. Mamedov,Jing-Yi Chung,Hong Li,Ruby Yu,David Wu,Jeffrey L. Wolf,Thomas G. Martin,Carlos E. Castro,Lumeng Ye
出处
期刊:Nature Biotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:41 (4): 521-531 被引量:152
标识
DOI:10.1038/s41587-022-01418-8
摘要

Enhancing CRISPR-mediated site-specific transgene insertion efficiency by homology-directed repair (HDR) using high concentrations of double-stranded DNA (dsDNA) with Cas9 target sequences (CTSs) can be toxic to primary cells. Here, we develop single-stranded DNA (ssDNA) HDR templates (HDRTs) incorporating CTSs with reduced toxicity that boost knock-in efficiency and yield by an average of around two- to threefold relative to dsDNA CTSs. Using small-molecule combinations that enhance HDR, we could further increase knock-in efficiencies by an additional roughly two- to threefold on average. Our method works across a variety of target loci, knock-in constructs and primary human cell types, reaching HDR efficiencies of >80–90%. We demonstrate application of this approach for both pathogenic gene variant modeling and gene-replacement strategies for IL2RA and CTLA4 mutations associated with Mendelian disorders. Finally, we develop a good manufacturing practice (GMP)-compatible process for nonviral chimeric antigen receptor-T cell manufacturing, with knock-in efficiencies (46–62%) and yields (>1.5 × 109 modified cells) exceeding those of conventional approaches. Combinations of single-stranded DNA repair templates and small molecules markedly enhance genome editing.
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