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/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。     

基于CRISPR/Cas系统的噬菌体基因组编辑

对原核生物获得性免疫系统CRISPR/Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR- associated genes)的研究促进了新一代基因组编辑工具的产生和发展。噬菌体既是原核生物CRISPR阵列(CRISPR array)进化的原动力,又是CRISPR/Cas系统防御的对象。噬菌体功能基因组学研究的速率却落后于发现新噬菌体和测定基因组序列的速率。基于CRISPR/Cas系统的噬菌体基因组编辑,可为噬菌体功能基因组学研究提供新手段。本文评述了基于CRISPR/Cas系统编辑噬菌体基因组的几例开创性研究,并且比较了多种操作程序的异同点和优缺点。同时,进一步构建了联合使用CRISPR/Cas系统与噬菌体重组系统开展噬菌体基因组编辑的新方案,讨论了新方案的潜在局限性,并对如何选择不同方案给予了建议。     

CRISPR/Cas9系统中引导RNA的研究进展

CRISPR/Cas9系统作为重要的一种基因编辑工具,自产生以来广泛应用于各种生物体基因组序列的精确编辑,可在特定位点产生核苷酸的删除、插入或替换,从而改变编码基因的功能。以CRISPR/Cas9为代表的基因编辑技术将应用于包括生物育种在内的各项生物技术领域,产生新一代生物技术产品。目前关于CRISPR/Cas9的研究报道多集中于Cas9蛋白的结构功能,以及CRISPR/Cas9系统的工作原理。引导RNA(Guide RNA)作为CRISPR/Cas9系统的重要组分之一,也是基因编辑技术领域的研究热点,近来有多篇文章报道通过改良引导RNA从而提高CRISPR/Cas9的编辑效率和精确性。对CRISPR/Cas9系统中的引导RNA研究进展进行了综述,围绕引导RNA的序列组成、结构特征以及转录产生方式这3方面内容,有助于全面了解CRISPR/Cas9系统的结构特征,讨论了引导RNA对CRISPR/Cas9基因编辑效率的影响,有利于CRISPR/Cas9系统的使用。最后,展望引导RNA今后的研究发展趋势,旨在解决CRISPR/Cas9目前存在的相关问题,优化出效率更高、精度更高的基因编辑技术。     

CRISPR/Cas9系统在昆虫中的应用

CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeat/CRISPR-associated nuclease 9)技术是一种RNA引导的基因组靶向编辑技术,能对基因组序列进行精确编辑,在探究基因功能、修复受损基因、沉默有害基因、改良品质性状等方面具有广阔的应用前景。近年来,随着对CRISPR/Cas9系统研究的不断深入和改造,该系统以其操作简易、省时、高效等优点在生物学研究的众多领域中得以推广和应用,特别是在果蝇(Bombyx mori)、家蚕(silkworm)、埃及伊蚊(Aedes aegypti)和蝴蝶(butterfly)等多种昆虫中。本文概述了CRISPR/Cas9的结构、作用原理及发展优化,总结了CRISPR/Cas9导入昆虫的策略和在昆虫中的应用,以及对CRISPR/Cas9系统产生脱靶问题的应对策略,以期对经济昆虫和有益昆虫的分子育种、害虫的生物技术防控等研究提供参考。     

耐药性结核分枝杆菌研究近况

结核分枝杆菌(简称结核杆菌,MTB)是结核痛的病原体.随着耐药性结核杆菌菌株的产生和播散,尤其是耐多药结核(MDR-TB)和广泛抗性结核菌株(XDR-TB)的出现,结核病的威胁在急速增长.现对结核杆菌的分子生物学、分型、耐药机制、致病机制、疫苗等方面作一概述.     

国内外CRISPR/Cas9基因编辑专利技术发展分析

CRISPR/Cas9是一种近年来备受瞩目的基因编辑工具,在医疗、农业、环境等领域呈现出广阔的应用前景。该领域的专利作为技术信息的重要载体,对于CRISPR/Cas9基因编辑工具的情报研究具有重要的意义。现通过分析德温特创新平台DI收录的2005—2017年的CRISPR/Cas9基因编辑技术相关专利,对国内外CRISPR/Cas9基因编辑技术研究领域的专利发展情况与技术布局进行对比,以了解国内外该领域的技术发展状况。     

潜伏性结核感染的诊治进展

近年来,由于耐药结核病、人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)合并结核分枝杆菌(简称结核杆菌)感染和大规模人口流动等问题的出现,结核病疫情出现加重趋势.目前,全球每年约有900万人发展成活动性结核患者,200～300万人死于结核病[1].     

基于CRISPR/Cas系统的多重基因编辑与调控技术

规律成簇的间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR)及其相关Cas蛋白所构建的CRISPR/Cas系统是古细菌或细菌中特有的一种获得性免疫系统。研究人员将其开发成基因编辑工具之后,凭借其高效、精准和通用性强等优点迅速成为合成生物学领域的热门研究方向,在生命科学、生物工程技术、食品科学及农作物育种等多个领域引发了革命性的影响。目前基于CRISPR/Cas系统单基因编辑与调控技术日益完善,但在多重基因编辑和调控方面仍存在挑战。本文聚焦基于CRISPR/Cas系统的多重基因编辑与调控技术开发及应用,针对单个细胞内实现多位点基因编辑或调控和细胞群体内实现多位点基因编辑或调控技术,依据作用原理对其进行了系统总结和阐述,包括基于CRISPR/Cas系统的双链断裂、单链断裂以及多重基因调控技术等。这些工作丰富了多重基因编辑与调控的工具,为CRISPR/Cas系统在多领域的应用作出了贡献。     

CRISPR/Cas9技术在微生物研究中的应用进展

CRISPR(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)/Cas(CRISPR associated proteins)系统是在细菌和古生菌中发现的一种RNA指导的降解入侵病毒或质粒DNA的适应性免疫系统。由II型CRISPR/Cas系统改造而成的CRISPR/Cas9技术已经被开发成一种强大的基因组编辑和表达调控工具,并且广泛应用于基因功能研究、代谢工程和合成生物学等领域。本文从CRISPR/Cas9系统的发现过程、分类、作用原理、在微生物研究中的应用进展等方面进行总结,并展望了该技术的应用前景。     

一种新型的CRISPR/Cas9-hLacI双链DNA供体适配基因编辑系统

在CRISPR/Cas9系统介导的基因编辑中,借助于双链DNA （double-stranded DNA,dsDNA）供体模板的重组效应能够实现对目标基因组靶位点的精确编辑和基因敲入,然而高等真核生物细胞中同源重组的低效性限制了该基因编辑策略的发展和应用。为提高CRISPR/Cas9系统介导dsDNA供体模板的同源重组效率,本研究利用大肠杆菌（Escherichia coli）乳糖操纵子阻遏蛋白LacI与操纵序列LacO特异性结合的特点,通过重组DNA技术将密码子人源化优化的阻遏蛋白基因LacI分别与脓链球菌（Streptococcus pyogenes）源的SpCas9和路邓葡萄球菌（Staphylococcus lugdunensis）源的SlugCas9-HF融合表达,通过PCR将操纵序列LacO与dsDNA供体嵌合,构建了新型的CRISPR/Cas9-hLacI供体适配系统（donor adapting system,DAS）。首先在报告载体水平上对Cas9核酸酶活性、DAS介导的同源引导修复（homology-directed repair,HDR）效率进行了验证和优化,其次在基因组水平对其介导的基因精确编辑进行了检测,并最终利用CRISPR/SlugCas9-hLacI DAS在HEK293T细胞中实现了VEGFA位点的精确编辑,效率高达30.5%,显著高于野生型。综上所述,本研究开发了新型的CRISPR/Cas9-hLacI供体适配基因编辑系统,丰富了CRISPR/Cas9基因编辑技术种类,为以后的基因编辑及分子设计育种研究提供了新的工具。     

酿酒酵母中基于CRISPR/Cas9工具的基因编辑与代谢调控研究进展

CRISPR/Cas9系统已广泛用于各种生物体的基因编辑和代谢工程。本文综述了CRISPR/Cas9在酿酒酵母中的基本原理和实际应用。首先总结了CRISPR/Cas9技术的发展历史、酿酒酵母基因组中基因缺失和多DNA片段插入的成功案例。这一先进的系统减少了劳动力,增强了对分子遗传学的理解,加速了微生物工程的发展。其次总结了基于CRISPR/Cas9的系统在生产高附加值化学品和提高酿酒酵母耐应激性方面的研究进展。该综述对酿酒酵母的遗传和合成生物学研究具有重要的参考价值。     

State‐of‐the‐art CRISPR/Cas9 Technology for Genome Editing in Trypanosomatids

CRISPR/Cas9 technology has revolutionized biology. This prokaryotic defense system against foreign DNA has been repurposed for genome editing in a broad range of cell tissues and organisms. Trypanosomatids are flagellated protozoa belonging to the order Kinetoplastida. Some of its most representative members cause important human diseases affecting millions of people worldwide, such as Chagas disease, sleeping sickness and different forms of leishmaniases. Trypanosomatid infections represent an enormous burden for public health and there are no effective treatments for most of the diseases they cause. Since the emergence of the CRISPR/Cas9 technology, the genetic manipulation of these parasites has notably improved. As a consequence, genome editing is now playing a key role in the functional study of proteins, in the characterization of metabolic pathways, in the validation of alternative targets for antiparasitic interventions, and in the study of parasite biology and pathogenesis. In this work we review the different strategies that have been used to adapt the CRISPR/Cas9 system to Trypanosoma cruzi, Trypanosoma brucei, and Leishmania spp., as well as the research progress achieved using these approaches. Thereby, we will present the state‐of‐the‐art molecular tools available for genome editing in trypanosomatids to finally point out the future perspectives in the field.     

An efficient CRISPR/Cas9 platform for targeted genome editing in rose (Rosa hybrida)

The clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)/CRISPR-related nuclease 9(Cas9) system enables precise, simple editing of genes in many animals and plants.However, this system has not been applied to rose(Rosa hybrida) due to the genomic complexity and lack of an efficient transformation technology for this plant. Here, we established a platform for screening single-guide RNAs(sgRNAs) with high editing efficiency for CRISPR/Cas9-mediated gene editing in rose using suspensio...     

Genome Editing by CRISPR/Cas9: A Game Change in the Genetic Manipulation of Protists

Genome editing by CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats)/Cas9 (CRISPR‐associated gene 9) system has been transformative in biology. Originally discovered as an adaptive prokaryotic immune system, CRISPR/Cas9 has been repurposed for genome editing in a broad range of model organisms, from yeast to mammalian cells. Protist parasites are unicellular organisms producing important human diseases that affect millions of people around the world. For many of these diseases, such as malaria, Chagas disease, leishmaniasis and cryptosporidiosis, there are no effective treatments or vaccines available. The recent adaptation of the CRISPR/Cas9 technology to several protist models will be playing a key role in the functional study of their proteins, in the characterization of their metabolic pathways, and in the understanding of their biology, and will facilitate the search for new chemotherapeutic targets. In this work we review recent studies where the CRISPR/Cas9 system was adapted to protist parasites, particularly to Apicomplexans and trypanosomatids, emphasizing the different molecular strategies used for genome editing of each organism, as well as their advantages. We also discuss the potential usefulness of this technology in the green alga Chlamydomonas reinhardtii.     

CRISPR/Cas系统递送技术及其应用研究进展

基于CRISPR/Cas的基因编辑系统是近年来研究发展最重要的生物技术之一,其在基因编辑、核酸成像、转录调控、基因检测与疾病诊断、动物模型建立、农作物改良等领域均有十分广泛的应用.本文主要介绍了CRISPR/Cas基因编辑技术的背景与发展历程,梳理了包括纳米载体在内的各类递送技术,总结了该技术应用于疾病治疗的临床前和临床研究进展,简述了CRISPR/Cas在其他更广泛领域的应用,并就该技术面临的挑战、发展趋势和应用前景做了展望.     

Development of an Agrobacterium‐delivered CRISPR/Cas9 system for wheat genome editing

CRISPR/Cas9 has been widely used for genome editing in many organisms, including important crops like wheat. Despite the tractability in designing CRISPR/Cas9, efficacy in the application of this powerful genome editing tool also depends on DNA delivery methods. In wheat, the biolistics based transformation is the most used method for delivery of the CRISPR/Cas9 complex. Due to the high frequency of gene silencing associated with co‐transferred plasmid backbone and low edit rate in wheat, a large T₀ transgenic plant population are required for recovery of desired mutations, which poses a bottleneck for many genome editing projects. Here, we report an Agrobacterium‐delivered CRISPR/Cas9 system in wheat, which includes a wheat codon optimized Cas9 driven by a maize ubiquitin gene promoter and a guide RNA cassette driven by wheat U6 promoters in a single binary vector. Using this CRISPR/Cas9 system, we have developed 68 edit mutants for four grain‐regulatory genes, TaCKX2‐1, TaGLW7, TaGW2, and TaGW8, in T₀, T₁, and T₂ generation plants at an average edit rate of 10% without detecting off‐target mutations in the most Cas9‐active plants. Homozygous mutations can be recovered from a large population in a single generation. Different from most plant species, deletions over 10 bp are the dominant mutation types in wheat. Plants homozygous of 1160‐bp deletion in TaCKX2‐D1 significantly increased grain number per spikelet. In conclusion, our Agrobacterium‐delivered CRISPR/Cas9 system provides an alternative option for wheat genome editing, which requires a small number of transformation events because CRISPR/Cas9 remains active for novel mutations through generations.