CRISPR-Cas9介导的基因组编辑技术的研究进展

CRISPR-Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats-CRISPR-associated proteins)系统为细菌与古生菌中抵御外源病毒或质粒DNA入侵的获得性免疫系统。该系统在crRNA的指导下,使核酸酶Cas识别并降解外源DNA。其中,Ⅱ型CRISPR-Cas系统最为简单,仅包括一个核酸酶Cas9与tracrRNA：crRNA二聚体便可完成其生物功能。基于CRISPR-Cas9的基因组编辑技术的核心为将tracrRNA:crRNA设计为引导RNA,在引导RNA的指导下Cas9定位于特定DNA序列上,进行DNA双链切割,实现基因组的定向编辑。CRISPR-Cas9系统以设计操纵简便、编辑高效与通用性广等优势成为新一代基因组编辑技术,为基因组定向改造调控与应用等带来突破性革命。从CRISPR-Cas9介导的基因组编辑技术的发展与应用等方面综述其最新研究进展,并着重介绍该技术的关键影响因素,为相关研究者提供参考。     

基于CRISPR-Cas13家族的RNA编辑系统及其最新进展

存在于细菌和古菌中的获得性免疫系统CRISPR-Cas目前已被广泛应用到生物技术领域,尤其是靶向DNA的CRISPR-Cas9技术。然而CRISPR-Cas系统靶向RNA的技术还处于初步应用阶段。Ⅵ型CRISPR-Cas系统(CRISPR-Cas13)的发现,揭示了RNA引导的RNA靶向性。CRISPR-Cas13是目前CRISPR-Cas家族中唯一只靶向ssRNA的系统,为RNA靶向和RNA编辑奠定了基础。根据Cas13系统发育已证明将Ⅵ型CRISPR-Cas系统分为4种亚型(A-D)。主要对目前最新的靶向RNA技术的CRISPR-Cas13家族的分类以及防御机制进行了综述,介绍了CRISPR-Cas13技术的应用以及基于CRISPR-Cas13家族的RNA编辑系统的最新研究进展。最后,对目前CRISPR-Cas13 RNA编辑技术体系存在的问题进行了分析和对未来的发展进行展望。     

CRISPR-Cas系统及anti-CRISPR蛋白在微生物中的研究进展

CRISPR-Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISP) and CRISPR associated proteins)系统是细菌用来防御病毒、质粒等外源核酸入侵的一种获得性免疫防御系统。随着研究的深入,CRISPR-Cas系统已发展为一种重要的基因编辑工具,并成功应用于动物、植物和微生物的基因改造中。但该基因编辑方法有时存在基因脱靶效应,从而限制了其推广应用。最近,通过将1种新发现的抗CRISPR蛋白(Anti-CRISPR protein,ACP)与CRISPR-Cas系统相结合,已成功开发出可控制基因脱靶效率的CRISPR-Cas基因编辑工具。本文首先对CRISPR-Cas系统及ACP进行了简要介绍,然后就CRISPR-Cas基因编辑工具及ACP在微生物基因改造的应用现状进行了综述,并对ACP介导的CRISPR-Cas基因编辑方法(ACP-CRISPR-Cas)在微生物基因编辑中的应用前景进行了讨论。     

利用CRISPR/Cas9核酸酶靶向细菌必需基因的特异性抗菌剂研究（英文）

CRISPR/Cas9核酸酶是一种高效和精确的基因组DNA编辑工具。目前,CRISPR/Cas9被开发成一种新型抗菌剂,通过靶向破坏目标基因,例如抗生素耐药基因来诱导细菌死亡。本研究利用CRISPR携带多靶点优势,同时靶向大肠杆菌必需基因gyrA、gyrB和folA,以达到杀菌作用。本设计针对3个内源基因的CRISPR系列载体,分别含有1个、2个或3个靶点。当IPTG诱导Cas9表达后,CRISPR RNA (crRNA)和反式作用CRISPR RNA (trans-activating CRISPR RNA, tracrRNA)复合物募集Cas9切割靶基因,导致细菌死亡。随着crRNA中靶点数量的增加,杀菌效率显著提高。当含有3个靶点的crRNA作用于细菌基因组时,杀菌效率达到99.35%。此外,在存活的大肠杆菌中,crRNA表达质粒的靶序列和直接重复序列发现碱基缺失,而内源靶基因和Cas9基因均未发生突变。最后,该CRISPR系统还应用于其他大肠杆菌实验室菌株和产肠毒素K88菌株,并表现出高效的杀菌作用。我们设计了一种基于CRISPR/Cas9核酸酶的新型抗菌剂,为抗菌剂的研发提供新策略。     

CRISPR-Cas13a系统用于肿瘤诊断与治疗的进展

CRISPR-Cas系统是一种目前已知的基因编辑工具,其中以靶向DNA基因组编辑的CRISPR-Cas9系统的研究较为成熟。相较于靶向DNA的基因组编辑技术CRISPR-Cas9系统,近年来靶向RNA的Ⅵ型-CRISPR家族CRISPR-C2c2/Cas13a系统研究日渐增多。CRISPR-Cas13a系统具有特异性识别并结合单链RNA序列从而非特异性切割RNA的特点,可应用于检测肿瘤外周血游离核酸,对早期肿瘤患者进行筛查。同时,Cas13a在进行体内RNA切割的过程中,不涉及编码基因DNA的改变,可直接对基因转录产物mRNA进行编辑,达到基因修饰的目的,并能够同时靶向多基因转录产物从而调控基因的表达。Cas13a系统可应用于分子诊断及RNA编辑中,该系统在肿瘤的诊断与治疗中也被证实具有广阔的发展前景。基于已有的文献资料,文中综述了靶向RNA的CRISPR-Cas13a技术应用于肿瘤诊断与治疗的研究进展,探讨了CRISPR-Cas13a系统对癌症治疗的新思路及存在的局限,并展望了未来可能的研究方向。     

Ⅰ-E型CRISPR/Cas系统介导适应性免疫分子机制研究进展北大核心CSCD

为了更好地适应环境,原核生物可通过水平基因转移的方式获取外源基因(来自噬菌体、质粒或其他物种基因组)。在获取外源基因的同时,原核生物也面临着"自私基因"入侵的风险。因此,原核生物需建立相应的机制选择性地摄取或降解外源DNA,从而防范基因转移带来的潜在危害。近年来,人们在原核生物中发现了由小RNA介导降解DNA的防御外源基因入侵的适应性免疫。在免疫防御过程中,首先外源DNA部分片段整合至细胞自身基因组上成簇出现的重复序列(CRISPR)上;然后表达并加工成熟的CRISPR RNA和相关Cas蛋白形成CRISPR/Cas复合体降解再次入侵的外源DNA。本文在简介CRISPR/Cas系统的基础上,重点探讨近年来关于大肠杆菌中I-E型CRISPR/Cas系统作用机制和调控机制的研究进展。     

CRISPR-Cas9技术在干细胞中的应用

成簇规律间隔短回文重复序列系统(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats,associated RNA guided endonuclease Cas9(CRISPR-Cas9)是细菌或古细菌在长期演化过程中形成的抵御外来遗传物质的一种获得性免疫防御机制,其中II型CRISPR-Cas系统依赖Cas9核酸内切酶靶向剪切外源DNA。Cas9内切酶在向导RNA的指导下靶向性地剪切特定基因位点,已被广泛应用在不同种属的基因编辑研究中。利用CRISPR-Cas9基因编辑系统的优势,结合现有干细胞研究技术,在小鼠、大鼠,甚至灵长类动物的功能基因组研究中,可以大幅提高各种基因修饰动物的获得效率,缩短获得的时间,从而快捷有效地研究基因功能;同时,可以建立包括灵长类疾病模型在内的多种动物疾病模型,促进生物医学的发展,造福人类。     

CRISPR/Cas系统的研究进展及前沿应用

CRISPR/Cas系统作为一种高效的基因组编辑工具,已经被广泛地研究和应用于各个领域。CRISPR/Cas系统已从最初的CRISPR/Cas9发展到现在的CRISPR/Cas12a、CRISPR/Cas13a、CRISPR/dCas等十多种基因编辑系统;从原来的靶向作用于DNA到现在的除了靶向作用于DNA和RNA外,还能应用于转录调控、DNA循环等无需基因编辑的领域。CRISPR/Cas系统以往存在的诸多局限性正在被一个一个突破,该系统的应用已经进入了一个新的时代。本文对CRISPR/Cas系统近些年的发展情况以及新发现的各种CRISPR/Cas系统做了一个总结,并列举了各个系统最新的应用情况。     

CRISPR/Cas9与心血管疾病

CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)/Cas9(CRISPR-associated proteins)作为一种新型基因组编辑技术,为解释疾病的发生机制和治疗疾病提供了新方法。来自Ⅱ型原核CRISPR系统的CRISPR/Cas9能够通过单链向导RNA(single guide RNA, sgRNA)将Cas9核酸酶靶定到特定的基因组序列发挥作用。已经被成功用来进行基因编辑构建疾病模型,以进行相关领域的功能研究和疾病的治疗。CRISPR/Cas9技术正在迅速的应用于生物医学研究的各个领域,包括心血管领域,它促进了人们对电生理、心肌病、心律失常以及其他心血管疾病的更多了解,已经创建了靶向很多基因的细胞和动物模型,为新一类疗法打开了大门。本综述介绍了CRISPR/Cas9的作用原理、优点和局限性,以及在心血管疾病中的应用进展。     

基于CRISPR/Cas9的激活系统研究进展

基因编辑技术自问世以来就一直作为生物技术领域的研究热点。基因编辑工具成簇的规律间隔短回文重复序列及其相关系统(CRISPR/Cas系统)具有特异性、简便性和灵活性等优点,为研究人员提供了丰富的遗传操作工具,也让CRISPR/Cas系统的应用在多种生物中得到了飞速发展。特别是将转录激活因子与失活的Cas蛋白结合,可在RNA转录水平实现基因表达特异性调控,为生物技术在医学研究及农业领域的发展做出了重要的贡献。外源基因的过表达是验证基因功能和基因调控的常用方法,然而由于载体容量的限制难以实现多基因过表达。基于CRISPR/Cas9激活系统可在不同向导RNA的引导下对多个基因进行调控,实现调控水平验证基因功能。本文通过对CRISPR/Cas9激活系统组成及不同激活策略进行总结,整理针对过度激活的解决方案,为CRISPR/Cas9激活系统应用于棉花遗传改良及除草剂抗性研究提供更多参考。     

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。     

Exploring alternative catalytic mechanisms of the Cas9 HNH domain

Understanding the reaction mechanism of CRISPR-associated protein 9 (Cas9) is crucial for the application of programmable gene editing. Despite the availability of the structures of Cas9 in apo- and substrate-bound forms, the catalytically active structure is still unclear. Our first attempt to explore the catalytic mechanism of Cas9 HNH domain has been based on the reasonable assumption that we are dealing with the same mechanism as endonuclease VII, including the assumption that the catalytic water is in the first shell of the Mg²⁺. Trying this mechanism with the cryo-EM structure forced us to induce significant structural change driven by the movement of K848 (or other positively charged residue) close to the active site to facilitate the proton transfer step. In the present study, we explore a second reaction mechanism where the catalytic water is in the second shell of the Mg²⁺ and assume that the cryo-EM structure by itself is a suitable representation of a catalytic-ready structure. The alternative mechanism indicates that if the active water is from the second shell, then the calculated reaction barrier is lower compared with the corresponding barrier when the water comes from the first shell.     

Das CRISPR/Cas‐System

The CRISPR/Cas system Up to this point plant breeding was based on the utilization of unspecific and time‐consuming procedures to accomplish improvements in the agronomic traits of our crop plants. This fundamentally changed the last years since the CRISPR/Cas system now provides a highly precise and reliable tool to achieve these goals in a fast and efficient way. The programmable induction of double‐strand breaks enables the targeted introduction of favored changes at almost any desired site within the genome that cannot be distinguished from naturally occurring variations any longer. This already enabled the generation of crop plants with agronomically interesting traits. The current characterization of additional CRISPR/Cas systems not only expands our molecular toolbox which allows us to regulate the cell metabolism on very different levels but also starts changing the entire biotechnology and biology fields fundamentally.     

CRISPR/Cas9 nickase-mediated efficient and seamless knock-in of lethal genes in the medaka fish Oryzias latipes

The CRISPR/Cas system offers new opportunities for targeted gene modifications in a wide range of organisms. In medaka (Oryzias latipes), a vertebrate model organism, a wild-type Cas9-based approach is commonly used to establish desired strains, however, its use in lethal genes is still challenging due to excess gene disruptions triggered by DNA double strand breaks (DSBs). To overcome this problem, we aimed to develop a new knock-in system using Cas9 nickase (Cas9n) that can reduce DNA DSBs. We revealed that Cas9n allowed reduction of the DSB-induced unwanted mutagenesis via non-homologous end-joining at both on- and off- target sites. Further, with a new donor plasmid (p2BaitD) that provides a linear template through Cas9n-mediated nicks, we successfully integrated reporter cassettes via homology-directed repair (HDR) into all three loci tested, including a lethal gene. In the experiment targeting the lethal gene, the combination of p2BaitD and Cas9n achieved higher survival rates than the Cas9-based approach, which enabled the desired knock-in founders. Additionally, through a technical blend of our knock-in system with a recently developed One-step mating protocol, we successfully established a homozygous knock-in strain in one generation period. This study presents evidence of an effective method to generate an HDR-mediated gene knock-in in medaka and other organisms, which is useful for establishing screening platforms for genes or drugs toxicity or other applications.     

An Active Immune Defense with a Minimal CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) RNA and without the Cas6 Protein

The prokaryotic immune system CRISPR-Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats-CRISPR-associated) is a defense system that protects prokaryotes against foreign DNA. The short CRISPR RNAs (crRNAs) are central components of this immune system. In CRISPR-Cas systems type I and III, crRNAs are generated by the endonuclease Cas6. We developed a Cas6b-independent crRNA maturation pathway for the Haloferax type I-B system in vivo that expresses a functional crRNA, which we termed independently generated crRNA (icrRNA). The icrRNA is effective in triggering degradation of an invader plasmid carrying the matching protospacer sequence. The Cas6b-independent maturation of the icrRNA allowed mutation of the repeat sequence without interfering with signals important for Cas6b processing. We generated 23 variants of the icrRNA and analyzed them for activity in the interference reaction. icrRNAs with deletions or mutations of the 3′ handle are still active in triggering an interference reaction. The complete 3′ handle could be removed without loss of activity. However, manipulations of the 5′ handle mostly led to loss of interference activity. Furthermore, we could show that in the presence of an icrRNA a strain without Cas6b (Δcas6b) is still active in interference.     

CRISPR/Cas12a系统：核酸检测的多功能工具

规律成簇的间隔短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR）是原核生物的适应性免疫系统,对抗外来遗传物质（如质粒和噬菌体）的攻击。近年来,科学家们发现了一种新型基因编辑工具,一种强大的分子剪刀CRISPR/Cas12a系统,该系统在对靶标DNA进行切割的同时还具有对体系内单链DNA进行任意切割的活性,并将其转移到体外检测系统。本文对CRISPR/Cas12a系统组成、结构、Cas12a与Cas9的对比和CRISPR/Cas12a系统在核酸检测中的应用进行了综述。     

基于CRISPR/Cas技术的核酸检测研究进展

由成簇、规则间隔的短回文重复序列（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR）和CRISPR相关蛋白（CRISPR-associated protein,Cas）组成的CRISPR/Cas系统是广泛存在于多数细菌和古细菌中的一种适应性免疫系统。CRISPR/Cas系统可识别并结合外源入侵的核酸分子,之后Cas蛋白的切割活性被激活,能够对入侵的核酸分子进行切割使其降解。利用CRISPR/Cas系统特异的序列识别及切割活性,将其应用于核酸检测中,为提高检测灵敏度及特异性等性能指标提供了一种新思路。本文介绍了CRISPR/Cas系统的发展、作用机制等,对多样化的Cas蛋白在核酸检测中的代表性应用研究进行总结,进一步讨论了CRISPR/Cas技术应用于核酸检测中存在的优缺点,并对未来研究进行了展望,为基于CRISPR/Cas技术的核酸检测方法在病原微生物的检测中提供参考和依据。     

Construction of a CRISPR-Cas9 System for Pig Genome Targeting

A Cas9/sgRNA RNA-guided endonuclease expression system including a codon-optimized Streptococcus pyogenes A20 Cas9 recombinant protein expression vector and a spacer-guide chimeric RNA expression vector using the porcine U6 promoter was constructed for application in pigs. Only the Flag₂-NLS₁-Cas9-NLS₂ recombinant protein in complex with sgRNA was translocated into the nucleus; the Flag₂-NLS₁-Cas9-NLS₂ protein alone was excluded from the nucleus. Up to 13% of porcine PK1 cells targeted in vitro were observed, regardless of transfection efficiency.