CRISPR/Cas9基因组编辑技术在农业动物中的应用

CRISPR(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)/Cas(CRISPR associated proteins)是在细菌和古细菌中发现的一种用来抵御病毒或质粒入侵的获得性免疫系统.目前已发现的CRISPR/Cas系统包括Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ型,其中Ⅱ型系统的组成较简单,由其改造成的CRISPR/Cas9技术已成为一种高效的基因组编辑工具.自2013年CRISPR/Cas9技术成功用于哺乳动物基因组定点编辑以来,应用该技术进行基因组编辑的报道呈现出爆发式的增长.农业动物不仅是重要的经济动物,也是人类疾病和生物医药研究的重要模式动物.本文综述了CRISPR/Cas9技术在农业动物中的研究和应用进展,简述了该技术的脱靶效应及减少脱靶的主要方法,并展望了该技术的应用前景.     

计算机辅助CRISPR向导RNA设计

基于CRISPR/Cas9系统的基因编辑已被成功应用于多种细胞类型中。计算机辅助的向导RNA(Guide RNA)设计是使用CRISPR系统成功进行基因编辑的关键步骤之一。目前的计算工作主要致力于利用计算模型来提高sgRNA的打靶效率并降低其脱靶。文中对于目前存在的sgRNA设计工具进行综述,并且说明可以通过建立高效的计算模型,对当前的异质基因编辑数据进行整合挖掘,以获得无偏差的sgRNA设计规则,并预测影响sgRNA设计的关键特征。笔者认为,对于sgRNA打靶和脱靶效果的系统总结和评价,将有助于使用CRISPR系统进行更加精准的基因编辑和基因治疗。     

靶向RNA的CRISPR-Cas系统研究进展

CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)-Cas(CRISPR associated proteins)系统是细菌和古细菌抵抗噬菌体、质粒等外源遗传物质的一种适应性免疫系统,该系统利用一种特殊的RNA(CRISPR RNA,crRNA)指导的内切酶来切割与crRNA相互补的外源遗传物质,从而阻碍外源核酸的侵染。根据效应复合物组成形式的不同,CRISPR-Cas系统分为1类(Ⅰ型、Ⅳ型和Ⅲ型)和2类(Ⅱ型、Ⅴ型和Ⅵ型)两大类。目前已发现多个CRISPR-Cas系统具有非常强的特异靶向RNA编辑能力,如Ⅵ型CRISPR-Cas13系统和Ⅲ型CRISPR-Cas7-11系统。随着研究的深入,相关系统在RNA编辑领域应用日渐广泛,使其成为基因编辑的有力工具。本文介绍了靶向RNA的CRISPR-Cas系统的组成、结构、分子机制以及其潜在应用,这为更好地研究该类系统的作用机制奠定基础,也为后期开发为稳定的基因编辑工具提供新的思路。     

基于CRISPR/Cas系统的基因编辑工具及其改进策略

CRISPR/Cas系统自发现以来持续推动着生命科学领域的进步。与此同时,CRISPR/Cas介导的基因编辑技术也在不断发展壮大。基于DSBs修复的CRISPR/Cas基因编辑技术、碱基编辑器和先导编辑器等新型基因编辑工具的开发为生物学基础研究铺平了道路。虽然这些工具为生物技术带来了革命性变化,但基因编辑效率偏低、产物纯度不高、脱靶效应频繁等问题也随之而来。不断开发精确、高效和安全的CRISPR/Cas基因编辑工具仍是当前和未来的生命科学研究热点。概述了CRISPR/Cas基因编辑工具的发展、构成及原理,总结了CRISPR/Cas基因编辑系统提升编辑效率、扩展编辑范围和降低脱靶效应的通用策略及不同CRISPR/Cas基因编辑工具的改进方法,并就CRISPR/Cas基因编辑工具未来的研究方向进行展望。     

CRISPR/Cas9系统中sgRNA设计与脱靶效应评估

基于CRISPR/Cas9系统介导的第三代基因组编辑技术,已成功应用于动物、植物和微生物等诸多物种的基因组改造。如何提高CRISPR/Cas9技术的基因组编辑效率和最大限度降低脱靶风险一直是本领域的研究热点,而使用高效且特异的sgRNA(Small guide RNA)是基因组改造成功的关键性因素之一。目前,已有多款针对CRISPR/Cas9技术的sgRNA设计和/或脱靶效应评估软件,但不同的软件各有优缺点。本文重点对16款sgRNA 设计和脱靶效应评估在线和单机版软件的特点进行了阐述,通过制定38项评估指标对不同软件进行了比较分析,最后对11种用于检测基因组编辑效率和脱靶的实验方法,以及如何筛选高效且特异的sgRNA进行了归纳总结。     

CRISPR-Cas系统在微生物研究中的应用进展

来源于细菌防御系统的CRISPR-Cas系统因其功能强大、多样性受到广泛关注,也在动物、植物、微生物等各个领域得到了应用并迅速发展。概述了CRISPR-Cas系统的作用机理和分类,并对CRISPR-Cas系统在微生物基因编辑和病毒核酸检测方面的研究及应用进展进行了综述,以期为微生物研究工作提供参考。     

CRISPR/Cas9技术在工业微生物中的应用

近年来,通过基因编辑技术对工业微生物底盘细胞改造从而获得的优良细胞工厂,促进了农业、医学、环境、能源等领域的可持续发展,提高了人民的生活水平。微生物底盘细胞的改造离不开基因编辑,作为现阶段主要的基因编辑技术,规律间隔成簇短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR）/Cas9系统自被发现以来,依靠其低成本、高效率等编辑优点,被广泛用于工业微生物底盘细胞的改造。本文主要简述了以CRISPR/Cas9为基础而衍伸出的各种基因编辑技术,提出了常用的工业微生物对应底盘细胞的改造策略,以期为研究者在进行微生物底盘细胞改造时选择出合适的基因编辑方法。最后指出了CRISPR基因编辑技术面临的PAM位点的依赖性、脱靶效应和应用广泛性等问题。     

CRISPR/Cas基因编辑技术及其在真菌中的应用

CRISPR/Cas系统是细菌和古生菌中抵抗外源病毒或质粒入侵的获得性免疫系统。其中II型CRISPR/Cas系统已被改造成为一个简便、高效的基因编辑工具,并在动物、植物和微生物基因功能研究和遗传改良中得到广泛应用。简述了CRISPR/Cas系统的结构、作用机理及分类情况,归纳总结了CRISPR/Cas9系统在酿酒酵母和其他丝状真菌中的应用,并对该技术可能出现的问题及应用前景进行了展望,以期为真菌基因编辑研究提供参考。     

CRISPR/Cas9的应用及脱靶效应研究进展

CRISPR/Cas9基因编辑技术在生命科学领域掀起了一场全新的技术革命,该技术可以对基因组特定位点进行靶向编辑,包括缺失、插入、修复等。CRISPR/Cas9比锌指核酸酶 (ZFNs)和转录激活因子样效应物核酸酶(TALENs)技术更易于操作,而且更高效。CRISPR/Cas9系统中的向导RNA(Single guide RNA, sgRNA)是一段与目标DNA片段匹配的RNA序列,指导Cas9蛋白对基因组进行识别。研究发现,设计的sgRNA会与非靶点DNA序列错配,引入非预期的基因突变,即脱靶效应(Off-target effects)。脱靶效应严重制约了CRISPR/Cas9基因编辑技术的广泛应用。为了避免脱靶效应,研究者对影响脱靶效应的因素进行了系统研究并提出了许多降低脱靶效应的方法。文章总结了CRISPR/Cas9系统的应用及脱靶效应研究进展,以期为相关领域的工作提供参考。     

CRISPR/Cas核糖核蛋白介导的植物基因组编辑

CRISPR/Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins)系统作为一种重要的基因编辑工具,自诞生以来被广泛应用于作物的性状改良。与CRISPR/Cas DNA载体介导的植物基因组编辑相比,CRISPR/Cas核糖核蛋白(CRISPR/Cas ribonucleoprotein, CRISPR/Cas RNP)介导的植物基因组编辑具有作用迅速、脱靶率低和无外源DNA插入(DNA-free)等优点,因而无需清除CRISPR编辑工具而更容易获得纯合的编辑体。但是,由于植物细胞转化方法和细胞再生技术的限制,不借助筛选标记的辅助将CRISPR/CasRNP直接导入植物细胞并获得高效基因编辑仍比较困难,直接限制了CRISPR/CasRNP在植物基因组编辑中的广泛应用。本文系统介绍了CRISPR/Cas RNP基因组编辑技术的分子作用机理及其优势,并总结了CRISPR/Cas RNP导入植物细胞的方法,最后对CRISPR/Cas RNP在植物基因组编辑中的新应用和新思路进行了展望,以期为进一步改进CRISPR/Cas RNP基因组编辑技术和扩大其在作物改良中的应用提供参考。     

Non-viral and viral delivery systems for CRISPR-Cas9 technology in the biomedical field

The clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)-associated protein 9(CRISPR-Cas9) system provides a novel genome editing technology that can precisely target a genomic site to disrupt or repair a specific gene. Some CRISPR-Cas9 systems from different bacteria or artificial variants have been discovered or constructed by biologists, and Cas9 nucleases and single guide RNAs(sgRNA) are the major components of the CRISPR-Cas9 system. These Cas9 systems have been extensively applied for identifying therapeutic targets, identifying gene functions, generating animal models, and developing gene therapies.Moreover, CRISPR-Cas9 systems have been used to partially or completely alleviate disease symptoms by mutating or correcting related genes. However, the efficient transfer of CRISPR-Cas9 system into cells and target organs remains a challenge that affects the robust and precise genome editing activity. The current review focuses on delivery systems for Cas9 mRNA, Cas9 protein, or vectors encoding the Cas9 gene and corresponding sgRNA. Non-viral delivery of Cas9 appears to help Cas9 maintain its on-target effect and reduce off-target effects, and viral vectors for sgRNA and donor template can improve the efficacy of genome editing and homology-directed repair. Safe, efficient, and producible delivery systems will promote the application of CRISPR-Cas9 technology in human gene therapy.     

Advances in detecting and reducing off-target effects generated by CRISPR-mediated genome editing

CRISPR-mediated genome editing is a revolutionary technology for genome manipulation that uses the CRISPR-Cas systems and base editors.Currently,poor efficiency and off-target problems have impeded the application of CRISPR systems.The on-target efficiency has been improved in several advanced versions of CRISPR systems,whereas the off-target detection still remains a key challenge.Here,we outline the different versions of CRISPR systems and off-target detection strategies,discuss the merits and limitations of off-target detection methods,and provide potential implications for further gene editing research.     

基因修饰技术研究进展

基因修饰技术是用于基因组定点改造的分子工具,目前主要有锌指核酸酶(ZFN)技术、转录激活子样效应物核酸酶(TALEN)技术和CRISPR-Cas核酸酶(CRISPR-Cas)技术。这些核酸酶都可以在DNA靶位点产生双链断裂(DSB),诱发细胞内源性的修复机制,激活体内非同源末端连接(NHEJ)或同源重组(HR)两种不同的修复机制,从而实现内源基因的敲除或外源基因的定点敲入。近年来,基因修饰技术已成功应用到细菌、酵母、人类细胞、果蝇、斑马鱼、小鼠、大鼠、家畜、食蟹猴、拟南芥、水稻、烟草、玉米、高粱、小麦和大麦等多种生物,显示了其强大的基因编辑优势。特别是新近出现的CRISPR-Cas9技术,降低了成本,使基因编辑变得简洁、高效和易于操作,得到了很多研究人员的关注。本文系统介绍了以上3种技术的原理及最新研究进展,并对未来的研究和应用做出了展望。     

诺贝尔化学奖授予CRISPR-Cas9基因编辑研究

2020年，诺贝尔化学奖授予现在德国马普感染生物学研究所工作的法国科学家Emmanuelle Charpentier和美国加州大学伯克利分校的?Jennifer Doudna，表彰她们发明CRISPR基因编辑方法。她们揭示了Cas9具有RNA介导的DNA 核酸内切酶活性，可以切断任意DNA双链，产生DNA双链断裂。她们还指出CRISPR具有在活细胞中修改基因的能力，利用CRISPR-Cas9编辑工具人们可以精确改变细胞中的DNA。由于简单、高效、廉价等特征，CRISPR已经成为全球最为流行的基因编辑技术，被称为编辑基因的“魔剪”。本文介绍两位诺贝尔化学奖获得者的研究成果，总结CRISPR系统的发现过程，并概述CRISPR-Cas9的功能以及应用。     

新生儿短肠综合征的肠内营养研究进展

从喂养方式、喂养过程、营养成分、护理重点等多方面综述新生儿短肠综合征肠内营养的研究进展,并结合患儿的实际病情以及实验室检查结果等指标,提出对患儿进行持续性的肠内营养支持的具体做法：（1）在现实情况允许的条件下,保证用母乳喂养患儿,无法提供母乳的情况下合理配比奶粉,并根据实际需要添加一些纤维和脂类的补充剂,保障患儿健康发育;（2）在给予肠内营养的过程中全程无菌化处理,调节适宜的温度,合理选择药物;（3）应用大规模对照试验方式,通过大数据对比总结出持续肠内营养对短肠综合征患儿的影响,为儿科护理工作提供科学依据。     

CRISPR/Cas系统与结核病防控新措施相关性研究

结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis,MTB,以下简称结核杆菌)感染引起的结核病仍然是严重影响人类健康全球性重大传染病。全球约1/4人口是结核杆菌的潜伏感染者。2019年,世界卫生组织(Worldhealthorganization,WHO)报道全球约150万人死于结核病。深入研究结核杆菌生物学有望为结核病防控提供新工具。成簇规律性间隔短回文重复(Clusteredregularlyinterspacedshort palindromic repeats,CRISPR)/Cas是细菌免疫系统的重要成分,在结核杆菌等分枝杆菌中也广泛存在,同时,也是分枝杆菌基因编辑的重要工具。本文结合课题组研究工作,综述了结核杆菌III-A型CRISPR/Cas系统各组分的生物学功能以及与致病的相关性,CRISPR/Cas编辑工具在诊断治疗耐药结核杆菌和结核病防控新措施中的进展。     

CRISPR-Cas生物传感器研究进展

成簇规律间隔短回文序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)系统是广泛存在于细菌中的一种特有的免疫防御机制,与特殊的Cas蛋白结合后能够有效的对外源的核酸分子进行特异性片段化,并进一步促进其降解。CRISPR-Cas系统具有独特的靶向性,为开发针对于核酸为底物的生物传感器提供了新的概念。越来越多的研究人员根据不同Cas蛋白的性质,建立了独特的逻辑系统对靶标物质进行准确识别,基于CRISPR技术的生物传感器也开拓了该技术在基因编辑以外领域的应用。介绍了CRISPR-Cas系统的起源、作用机制和科学分类,根据生物传感器的作用方式以及识别底物进行了分类,并对基于CRISPR-Cas系统的高效生物传感器的应用前景进行了展望。