谷氨酸棒杆菌碱基编辑的条件优化

近年来,基于CRISPR/Cas9的碱基编辑技术因其具有不产生DNA双链断裂、无需外源DNA模板、不依赖宿主同源重组修复的优势,已经逐渐发展成为一种强大的基因组编辑工具,在动物、植物、酵母和细菌中得到了开发和应用。研究团队前期已在重要的工业模式菌株谷氨酸棒杆菌中开发了一种多元自动化的碱基编辑技术MACBETH,为进一步优化该方法,提高碱基编辑技术在谷氨酸棒杆菌中的应用效率,本研究首先在谷氨酸棒杆菌中构建了基于绿色荧光蛋白(GFP)的检测系统:将GFP基因的起始密码子ATG人工突变为ACG,GFP无法正常表达,当该密码子的C经编辑后恢复为T,即实现GFP蛋白的复活,结合流式细胞仪分析技术,可快速衡量编辑效率。然后,构建针对靶标位点的碱基编辑工具,经测试,该位点可成功被编辑,在初始编辑条件下碱基编辑效率为(13.11±0.21)%。在此基础上,通过对不同培养基类型、诱导初始OD600、诱导时间、诱导物浓度进行优化,确定最优编辑条件是:培养基为CGXII,初始OD600为0.05,诱导时间为20 h,IPTG浓度为0.01 mmol/L。经过优化,编辑效率达到(30.35±0.75)%,较初...     

谷氨酸棒杆菌中胞嘧啶碱基编辑工具的PAM拓展

碱基编辑是一种新兴的基因组编辑技术,具有不产生双键断裂、不依赖同源重组且不需要添加外源模板的优势,在真核及原核生物中得到了广泛的开发与应用。为了进一步扩展碱基编辑技术在谷氨酸棒杆菌中的基因组覆盖范围,本研究将3种PAM限制较为宽松的新型Cas9突变体应用于胞嘧啶碱基编辑工具中,分别为近乎PAMless的SpRY突变体（NRN>NYN PAM）、SpG突变体（NGN PAM）,以及ScCas9++蛋白（NNG PAM）,实现对碱基编辑工具的PAM拓展。结合SpRY突变体的碱基编辑系统展示出了更宽松的PAM识别,除对CAT、CAC、TAA PAM的位点完全没有编辑外,对其他NRN种类的PAM位点均出现了不同程度的识别,但整体编辑效率低,难以推广应用;结合SpG突变体的碱基编辑系统可实现对所有NGN种类PAM位点的编辑,且编辑效率优于SpRY突变体,但对NGG PAM位点的编辑,相比原始Cas9蛋白,编辑效率下降9.3%-55.9%;结合ScCas9++蛋白的碱基编辑系统,除对TCG、CTG PAM的基因组位点没有编辑外,可实现对其他测试NNG PAM的基因组位点编辑,大部分位点基因组...     

基于CRISPR/Cas系统的DNA碱基编辑研究进展

基于CRISPR/Cas的基因编辑是近年发展起来的一项变革性生物技术。其过程包括在目标DNA位点引入双链断裂(double strand break,DSB)以及其后续的细胞修复。细胞修复DSB主要有两种方式：非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)以及同源重组介导的修复(homology-directed repair,HDR)。前者是大多数细胞修复DSB的主要方式,其特点在于修复简单、效率高但极易出错,往往会引发难以预测的核苷酸插入或删除。点突变是自然界中最常见的遗传突变类型,引起了超过半数的人类遗传疾病以及许多重要农艺性状变异。碱基编辑能够实现单个碱基的替换,既不需要引入DSB,又无需修复模板参与,具有高效、编辑结果可控等优点,在基因治疗、作物育种及生物技术研究等方面具有重大的应用潜能。自首个碱基编辑工具开发以来,碱基编辑相关技术得到快速发展及广泛应用。本文综述了目前DNA碱基编辑研究进展,重点阐述了碱基编辑器及其在编辑效率、精度以及特异性提高和编辑范围扩展等方面的最新进展以及仍存在的瓶颈,并展望其研究和应用前景。     

BE3型胞嘧啶碱基编辑器在谷氨酸棒杆菌中的开发及应用

碱基编辑技术结合了CRISPR/Cas系统的靶向特异性与碱基脱氨酶的催化活性,因其不产生双链DNA断裂、不需要外源DNA模板、不依赖同源重组修复,自开发以来,便受到研究者的追捧,在哺乳动物细胞、植物、微生物等领域相继得到开发与应用。为了进一步丰富碱基编辑系统在谷氨酸棒杆菌中的应用,将鼠源胞嘧啶脱氨酶(rAPOBEC1)与nCas9蛋白融合,实现了在谷氨酸棒杆菌中C到T的编辑,编辑比例较低(0-20%);在上述融合蛋白C端添加UGI蛋白,构建BE3型胞嘧啶碱基编辑器,抑制体内的DNA碱基切除修复机制,显著的提高了碱基编辑效率,使得C到T的碱基编辑效率高达90%;为了简化操作,将双质粒碱基编辑系统优化为单质粒碱基编辑系统,并显著提高转化效率;最后通过单质粒碱基编辑系统对基因组中其他位点的编辑测试,进一步证明了BE3型碱基编辑器在谷氨酸棒杆菌中的高效性,同时发现该碱基编辑器具有较宽的编辑窗口(PAM上游-11到-19位),有助于覆盖更多的基因组靶标位点,为谷氨酸棒杆菌的基因组改造提供了更多的工具选择。     

基于CRISPR/Cas9的精准基因编辑技术研究进展

基因编辑技术是一种可以在基因组水平上对DNA序列进行改造的遗传操作技术。基于CRISPR/Cas9系统的精准编辑技术是一个操作方便、应用广泛的基因编辑技术,与传统的CRISPR/Cas9不同,精准基因编辑技术可以在不需要DNA模板的情况下对基因进行定点突变。本文重点介绍了近年来基于CRISPR/Cas9介导的精准基因编辑技术的发展,并深入分析了基因精准编辑技术面临的挑战和机遇。     

基于CRISPR/Cas系统的单碱基编辑技术研究进展*

基于CRISPR/Cas系统出现的单碱基编辑技术可以实现高效且简便的单个碱基的替换编辑,其原理是将胞嘧啶脱氨酶(cytosine deaminase)或腺苷脱氨酶(adenosine deaminase)与Cas9n(D10A)形成融合蛋白,通过CRISPR/Cas精准识别和定位DNA上的靶位点后,利用胞嘧啶脱氨酶或腺苷脱氨酶将靶点距离sgRNA位点基序(protospacer adjacent motif,PAM)序列端的4~7位的单个碱基发生单碱基转换或颠换。对基于CRISPR/Cas系统的单碱基编辑技术发现的历史、组成和分类、工作原理进行了概述,并总结了该系统最新进展及应用。     

CRISPR/Cas9介导的基因组编辑技术

规律成簇间隔短回文重复序列(CRISPR)协同其相关蛋白Cas组成了细菌和古细菌的获得性免疫系统。利用该系统可以对外来某一特定单链或双链DNA实施高度特异性沉默或降解的特性,近年来对基因组进行精确定点编辑的CRISPR/Cas系统迅速发展。着重介绍了CRISPR/Cas系统的研究历史、结构、分类及作用机制,并分析讨论了现阶段以Cas9为核心的Ⅱ型系统在应用方面存在的问题及前景。     

基于CRISPR/Cas系统的DNA碱基编辑技术及其在生物医学和农业中的应用

近年来,基于成簇的规律间隔短回文重复序列及其相关系统(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein,CRISPR/Cas)的基因编辑技术飞速发展,该系统可以利用同源定向重组(Homology directed repair,HDR)来完成其介导的精准编辑,但效率极低,限制了其在农业和生物医学等领域上的推广应用。基于CRISPR/Cas系统的DNA碱基编辑技术作为一种新兴的基因组编辑技术,能在不产生双链断裂的情况下实现碱基的定向突变,相对于CRISPR/Cas介导的HDR编辑具有更高的编辑效率和特异性。目前,已开发出了可将C碱基突变为T碱基的胞嘧啶碱基编辑器(Cytidine base editors,CBE),将A碱基突变为G碱基的腺嘌呤碱基编辑器(Adenine base editors,ABE),以及可实现碱基任意变换和小片段精准插入和缺失的Prime编辑器(Prime editors,PE)。另外,能实现C到G颠换的糖基化酶碱基编辑器(Glycosylase base editors,GBE)以及能同时编辑A和C两种底物的双碱基编辑器也已被开发出来。文中主要综述了几种DNA碱基编辑器的开发历程、研究进展及各自优点和局限性;介绍了DNA碱基编辑技术在生物医学以及农业中的成功应用案例,以期为DNA碱基编辑器的进一步优化和选择应用提供借鉴。     

基于CRISPR/Cas系统的单碱基编辑技术研究进展*

基于CRISPR/Cas系统出现的单碱基编辑技术可以实现高效且简便的单个碱基的替换编辑,其原理是将胞嘧啶脱氨酶(cytosine deaminase)或腺苷脱氨酶(adenosine deaminase)与Cas9n(D10A)形成融合蛋白,通过CRISPR/Cas精准识别和定位DNA上的靶位点后,利用胞嘧啶脱氨酶或腺苷脱氨酶将靶点距离sgRNA位点基序(protospacer adjacent motif,PAM)序列端的4~7位的单个碱基发生单碱基转换或颠换。对基于CRISPR/Cas系统的单碱基编辑技术发现的历史、组成和分类、工作原理进行了概述,并总结了该系统最新进展及应用。     

CRISPR/Cas基因编辑系统研究进展

规律性成簇间隔的短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR)的发现和工程技术对生命科学的发展带来巨大的推动作用。RNA引导的Cas(CRISPR-associated)酶已被用作操纵细胞、动物和植物基因组的工具。这加速了基础研究的步伐,并使其在临床和农业上的应用成为可能。CRISPR/Cas9对在实验系统中进行的功能基因组学的研究有重大影响。CRISPR/Cas9系统自发现以来,因其操作便捷、成本低、特异性高、可同时打靶任意数量基因等优点而被广泛应用。经过近几年研究发现,Cas9变异体(Cas12a、Cas13)有利于突破和克服CRISPR/Cas9应用中的一些限制,Cas12a极大地扩展了基因编辑靶位点的选择范围,同时其介导的多基因编辑具有明显的优势;Cas13等蛋白能特异性结合和编辑RNA,开启了转录组研究的新篇章。本文主要就CRISPR/Cas的研究背景以及Cas9、Cas12a和Cas13系统研究进展和应用进行综述,并对其应用前景和发展方向进行了展望。     

嗜热厌氧杆菌热稳定CRISPR/Cas9基因组编辑技术及在细胞工厂构建中的应用研究进展

嗜热厌氧杆菌属(Thermoanaerobacter)来源的菌株作为一个高温发酵的细胞工厂,具有生产生物燃料和化学品的潜力,已引起了研究者的广泛兴趣.随着嗜热厌氧杆菌属来源的多个菌株全基因组测序的完成以及相关的生理生化实验的开展,建立一个简便、快捷的基因操作技术将有助于进一步深入理解和认识嗜热厌氧杆菌有关的代谢途径.最...     

CRISPR/Cas基因编辑和表达调控工具箱在放线菌中的应用

放线菌是一类具有强大次级代谢能力的微生物,对放线菌菌株进行理性改造,对提升其天然产物的生产能力具有重要意义。CRISPR/Cas系统因具有高效性、易操作性和良好的靶向精确性,已成为放线菌基因改造和功能研究的重要工具。本文从工作原理、系统构建、适用场景等角度对放线菌中的各类CRISPR/Cas基因编辑及表达调控工具进行了汇总和比较,包括基于DNA双链断裂的CRISPR/Cas系统、CRISPR干扰系统、CRISPR激活系统,以及CRISPR碱基编辑系统。同时,本文还总结了这些工具在放线菌天然产物生物合成方面的应用情况。CRISPR/Cas工具箱在放线菌中的开发和应用,极大地推动了放线菌微生物学和天然产物相关的研究。     

毕赤酵母胞嘧啶碱基编辑器的设计与功能评价

【目的】在巴斯德毕赤酵母（Pichia pastoris）中建立一套分子靶向突变系统,为毕赤酵母的基因工程改造提供高效的编辑工具。【方法】基于规律成簇的间隔短回文重复序列/Cas9核酸酶（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/Cas9 nuclease,CRISPR/Cas9）技术,设计并构建nCas9与胞苷脱氨酶融合表达的胞嘧啶碱基编辑器（cytosine base editor,CBE）,并选择酵母基因组中富含碱基C的一段序列作为靶标以评价CBE的碱基编辑功能。电转化酵母后,利用高通量测序技术分析CBE的编辑效率及编辑模式,并进一步探究连接肽长度、融合蛋白相对位置和gRNA靶向序列（即spacer）长度等因素对CBE功能的影响。【结果】nCas9与PmCDA1融合组成的CBE能够实现毕赤酵母基因组碱基C的高效编辑。当连接肽长度为（GGGGS）₁₀时,CBE的编辑效率最高,编辑窗口位于前间隔序列邻近基序（protospacer adjacent motif,PAM）远端的C20–C14之间,其中C18的编辑效率可达85.1%。nCas9与PmCDA1相对位置的改变对CBE的编辑效率和编辑模式的影响不大。而gRNA靶向序列长度影响着CBE的编辑效率,且gRNA靶向序列长度不能低于17 nt,但19–23 nt之间均可引导CBE对基因组的高效编辑。【结论】本研究在巴斯德毕赤酵母中构建了一套具有高效碱基编辑活性的胞嘧啶碱基编辑器,为基于毕赤酵母的基础和应用研究提供了工具支持。     

综述与专论：精准基因编辑技术的发展及治疗应用

基因编辑技术是生命科学领域最具变革的突破性技术之一,它的出现使基因组的遗传操作变得极为便捷。传统的CRISPR/Cas基因编辑通过引发DNA双链断裂（DSB）发挥作用,特别适合基因失活的研究,但在基因的精准修饰方面略有不足。新的基因编辑技术可以不依赖DSB和同源重组修复（HDR）,达到了前所未有的精准度,目前已经开发了包括碱基编辑、引导编辑和CRISPR相关转座酶（CAST）在内的多种编辑系统,实现了从单个核苷酸到DNA大片段范围内的精准编辑。近年来,这些精确基因编辑工具的优化大大提高了编辑的效率、特异性和多功能性,如能够实现颠换的碱基编辑器、更高效和精准的增强型引导编辑系统,以及用于大段DNA精确插入的CAST系统,极大扩展了这些工具的应用范围。同时,体内递送系统的持续发展也极大推动了精准基因编辑工具的治疗应用,有效的递送系统对于基因治疗的成功至关重要,近年来在病毒和非病毒载体方面的进展提高了体内基因编辑的有效性和安全性。精确基因编辑技术在治疗遗传性疾病方面潜力巨大,本综述讨论了精准基因编辑工具和递送系统的最新进展,及其在心肌病、肝病和听力疾病等遗传性疾病中的临床前治疗应用,也讨论了技术在安全性和特异性的优化、递送系统的改进等方面存在的挑战,凸显了其从根本上治愈疾病的巨大潜力。     

Dynamics of glutamate synthesis and excretion fluxes in batch and continuous cultures of temperature-triggered Corynebacterium glutamicum

Corynebacterium glutamicum 2262 strain, when triggered for glutamate excretion, experiences a rapid decrease in growth rate and increase in glutamate efflux. In order to gain a better quantitative understanding of the factors controlling the metabolic transition, the fermentation dynamics was investigated for a temperature-sensitive strain cultivated in batch and glucose-limited continuous cultures. For non-excreting cells at 33°C, increasing the growth rate resulted in strong increases in the central metabolic fluxes, but the intracellular glutamate level, the oxoglutarate dehydrogenase complex (ODHC) activity and the flux distribution at the oxoglutarate node remained essentially constant. When subjected to a temperature rise to 39°C, at both high- and low-metabolic activities, the bacteria showed a rapid attenuation in ODHC activity and an increase from 28% to more than 90% of the isocitrate dehydrogenase flux split towards glutamate synthesis. Simultaneously to the reduction in growth rate, the cells activated a high capacity export system capable of expelling the surplus of synthesized glutamate.     

Temperature-sensitive cloning vector for Corynebacterium glutamicum

We constructed a temperature-sensitive form of the Corynebacterium glutamicum ATCC13869 cryptic plasmid, pBL1. The C. glutamicum/Escherichia coli shuttle vector pSFK6, which is composed of pBL1 and the E. coli cloning vector pK1, was mutagenized in vitro by treatment with hydroxylamine, and introduced into C. glutamicum cells. A mutant plasmid, which was stably maintained at 25 degrees C but not at 34 degrees C, was isolated from the cells. Sequencing the plasmid, which was named p48K, revealed four substitutions in the Rep protein coding region. Moreover, site-directed single-nucleotide substitutions showed that a G to A transition at position 2,920, which resulted in a Pro-47 to Ser substitution in the Rep protein, was responsible for its temperature-sensitive replication. Pro-47 is conserved among the Rep proteins of the pIJ101/pJV1 family of plasmids. This temperature-sensitive cloning vector will be useful for disrupting genes in this industrially important bacterium.