机器学习方法在CRISPR/Cas9系统中的应用

基于CRISPR/Cas9系统介导的第三代基因组定点编辑技术,已被广泛应用于基因编辑和基因表达调控等研究领域。如何提高该技术对基因组编辑的效率与特异性、最大限度降低脱靶风险一直是该领域的难点。近年来,机器学习为解决CRISPR/Cas9系统所面临的问题提供了新思路,基于机器学习的CRISPR/Cas9系统已逐渐成为研究热点。本文阐述了CRISPR/Cas9的作用机理,总结了现阶段该技术面临的基因组编辑效率低、存在潜在的脱靶效应、前间区序列邻近基序(PAM)限制识别序列等问题,最后对机器学习应用于优化设计高效向导RNA (sgRNA)序列、预测sgRNA的活性、脱靶效应评估、基因敲除、高通量功能基因筛选等领域的研究现状与发展前景进行了展望,以期为基因组编辑领域的研究提供参考。     

CRISPR基因编辑的脱靶效应应对策略综述

CRISPR/Cas9基因编辑系统是第三代基因编辑技术,在生物医学领域有着广泛的应用。该系统由sgRNA和Cas9蛋白组成,sgRNA与Cas9结合并引导Cas9到达DNA靶点,Cas9作为核酸内切酶对靶序列进行切割,形成DNA双链断裂(double strand break, DSB)。DSB通过两种机制——非同源末端连接(nonhomologous end joining, NHEJ)和同源重组介导的修复(homology-directed repair, HDR)——进行修复,实现特定基因的敲除或插入。与锌指核酸酶(ZFNs)和转录激活因子样效应物核酸酶(TALENs)等基因编辑工具相比,CRISPR/Cas9在简便性、专一性等方面有很大优势,但脱靶效应一直是它在实际应用中面临的一个难题。目前已有许多针对脱靶效应的研究,科学家们已发现一些影响靶点专一性的因素,如sgRNA种子序列、PAM序列、Cas9蛋白、DSB修复通路等,并据此研发出降低脱靶效应的可行性策略。本综述就CRISPR/Cas9系统的作用原理、潜在的脱靶危害和降低脱靶效应的策略研究进行阐述。     

CRISPR/Cas9技术在生物医学领域的非病毒及病毒载体

规律成簇的间隔短回文重复序列(CRISPR)及CRISPR相关蛋白9(CRISPR/Cas9)系统是一种新型基因组编辑技术,能够靶向干扰或修复基因组的特定基因.来自细菌或人工改造的CRISPR/Cas9系统已经由生物学家发现或构建,Cas9核酸酶及单链导向RNA(sgRNA)是CRISPR/Cas9系统的主要组成成分.该系统被广泛应用于疾病治疗新靶点的发掘,基因功能的鉴定,动物模型的建立以及基因治疗药物的开发.CRISPR/Cas9系统已经通过突变或修正疾病相关基因来部分缓解或彻底治愈某些病症.然而,如何有效递送CRISPR/Cas9至目标细胞及靶器官仍然是运用该技术所面临的挑战之一,这影响着该系统稳定和精准的基因编辑能力.本文主要综述Cas9mRNA,Cas9蛋白或编码Cas9基因及相应sgRNA载体的递送系统.递送Cas9蛋白的非病毒载体能够维持Cas9的靶向作用,减少脱靶效应;递送sgRNA和供体模板的病毒载体能够改进基因编辑及同源修复效率.安全,有效及可规模化生产的递送载体将会推进CRISPR/Cas9技术在人类基因治疗领域中的应用.     

CRISPR/Cas9系统研究进展

CRISPR/Cas9系统的发展彻底改变了人们编辑DNA序列和调控目标基因表达水平的能力,从而为生物体的精确基因组编辑提供了有力的工具。简化后的CRISPR/Cas9系统由两部分组成:Cas9蛋白和sgRNA。其作用原理为sgRNA通过自身的Cas9把手与Cas9蛋白形成Cas9-sgRNA复合体,Cas9-sgRNA复合体中sgRNA的碱基互补配对区序列与目标基因的靶序列通过碱基互补配对原则进行配对结合,Cas9利用自身的核酸内切酶活性对目标DNA序列进行切割。与传统的基因组编辑技术相比,CRISPR/Cas9系统具有几大明显的优势:易用性、简便性、低成本、可编程性以及可同时编辑多个基因。CRISPR/Cas9基因组编辑技术以及衍生出来的CRISPRi和CRISPRa基因表达调控技术已经广泛应用于多种真核和原核生物中。综述了CRISPR/Cas9系统的起源、作用机理、在生物体中的应用和其衍生出的技术,并概述了其脱靶效应和未来前景。     

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。     

利用CRISPR/Cas9技术构建拟南芥多基因缺失突变体体系

CRISPR/Cas系统来源于古细菌和细菌在进化过程中逐渐形成的一种适应性免疫系统,近年来被改造成为一种新型的基因编辑技术,它能在sgRNA引导下利用Cas9核酸酶对DNA进行定点切割。然而,此系统的缺点在于一对sgRNA具有较高的脱靶率。本实验拟通过改造CRISPR/Cas9相关载体,一方面简化载体构建步骤,另一方面通过设计两对sgRNA1和sgRNA2,提高靶标识别特异性,克服较高脱靶率的问题。实验以拟南芥基因组中U-Box E3家族基因中3个高度同源基因为靶对象,利用改造后的CRISPR/Cas9载体构建拟南芥多基因缺失突变体体系。此体系的建立有助于研究拟南芥基因组中的家族基因功能,并克服拟南芥家族基因功能研究中的冗余问题。     

利用CRISPR/Cas9技术构建基因编辑大鼠模型

RNA介导的CRISPR/Cas9基因编辑系统由单链引导RNA(sgRNA)与核酸酶Cas9构成。在细胞内,sgRNA能够按照碱基互补配对的原则引导Cas9与靶点结合,由Cas9切割目标DNA,造成双链DNA断裂(double stranded break, DSB)。在随后的DNA修复过程中,细胞主要进行非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)或在有修复模板存在的情况下进行重组修复(homology directed repair, HDR)。如果将CRISPR/Cas9系统以及修复模板通过显微注射的方式导入大鼠的胚胎内,就能借助细胞的修复机制实现大鼠胚胎的基因编辑,由此构建各种基因修饰大鼠模型。本文详细介绍了利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建大鼠模型的具体操作步骤,以期为相关领域的科研人员提供一种大鼠基因修饰模型的构建方法。     

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。     

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。     

Whole genome analysis of CRISPR Cas9 sgRNA off-target homologies via an efficient computational algorithm

Background

The beauty and power of the genome editing mechanism, CRISPR Cas9 endonuclease system, lies in the fact that it is RNA-programmable such that Cas9 can be guided to any genomic loci complementary to a 20-nt RNA, single guide RNA (sgRNA), to cleave double stranded DNA, allowing the introduction of wanted mutations. Unfortunately, it has been reported repeatedly that the sgRNA can also guide Cas9 to off-target sites where the DNA sequence is homologous to sgRNA.

Results

Using human genome and Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9) as an example, this article mathematically analyzed the probabilities of off-target homologies of sgRNAs and discovered that for large genome size such as human genome, potential off-target homologies are inevitable for sgRNA selection. A highly efficient computationl algorithm was developed for whole genome sgRNA design and off-target homology searches. By means of a dynamically constructed sequence-indexed database and a simplified sequence alignment method, this algorithm achieves very high efficiency while guaranteeing the identification of all existing potential off-target homologies. Via this algorithm, 1,876,775 sgRNAs were designed for the 19,153 human mRNA genes and only two sgRNAs were found to be free of off-target homology.

Conclusions

By means of the novel and efficient sgRNA homology search algorithm introduced in this article, genome wide sgRNA design and off-target analysis were conducted and the results confirmed the mathematical analysis that for a sgRNA sequence, it is almost impossible to escape potential off-target homologies. Future innovations on the CRISPR Cas9 gene editing technology need to focus on how to eliminate the Cas9 off-target activity.

     

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.     

靶向miRNA前体不同类型sgRNA的丰度及特异性评估

CRISPR/Cas技术能高效进行基因组定点编辑,但不同细菌来源或人工改造的Cas9以及Cpf1等核酸酶识别的PAM (protospacer adjacent motif)有差异,因此不同的基因编辑核酸酶可能采用不同类型的sgRNAs(small guide RNAs)。MicroRNAs (miRNAs)是一类调控性的小分子非编码RNAs,为了研究miRNA前体中是否可能存在特异性高的sgRNAs靶点,本文利用本课题组前期开发的生物信息学软件CRISPR-offinder,对靶向28 645条miRNA前体的11种不同类型sgRNA的丰度及特异性进行了分析,并利用CRISPR/Cas9慢病毒技术构建了猪miR-302/367基因簇敲除细胞系,对构建的猪miRNA敲除细胞系的效率进行了检测。结果表明,每个miRNA前体中平均存在约8种不同类型sgRNA的靶点;通过评估靶向猪miRNA前体sgRNA的脱靶效应,发现其中特异性高的sgRNA仅占18.2%;通过CRISPR/Cas9慢病毒技术成功构建了猪miR-302/367基因簇敲除细胞系,发现通过该技术构建miRNA敲除细胞系的效率为40%。本研究为利用CRISPR/Cas技术靶向敲除miRNA提供了重要资源。     

sgRNAcas9软件图形用户界面开发及应用

CRISPR/Cas9系统介导的基因组编辑技术是新一代功能强大的基因修饰技术。然而,脱靶效应(Off-target effects)是目前CRISPR/Cas9技术面临的最大问题。因此,设计脱靶风险低的sgRNA(single guide RNA)就成为关键。sgRNAcas9是一款专门用于sgRNA设计和评估脱靶效应的软件包。针对其核心运行程序,我们利用Java程序语言开发了其图形用户界面。此外,依据脱靶位点碱基数和sgRNA种子序列(seed sequences)的特异性,通过设置不同的风险等级对sgRNA的脱靶效应进行评估。随后,利用此软件设计了34 124条靶向人、小鼠、大鼠、猪和鸡中共4691个microRNA(miRNA)前体的sgRNAs。此外,随机挑选了一个靶向人miR-206前体的sgRNA进行脱靶效应评估和验证。结果发现,sgRNAcas9软件人机交互界面友好,大多数miRNA前体可通过该软件寻找到sgRNA,且他们的GC%含量范围集中于40%~60%。利用sgRNAcas9软件设计的靶向miR-206的sgRNA,其基因组编辑活性和脱靶位点可被实验验证。本研究表明sgRNAcas9图形用户界面软件能针对任意物种设计特异性的sgRNA,其可在BiooTools(http://www.biootools.com/)网站下载。     

CRISPR/Cas9-Mediated Genome Editing in Soybean Hairy Roots

As a new technology for gene editing, the CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeat)/Cas (CRISPR-associated) system has been rapidly and widely used for genome engineering in various organisms. In the present study, we successfully applied type II CRISPR/Cas9 system to generate and estimate genome editing in the desired target genes in soybean (Glycine max (L.) Merrill.). The single-guide RNA (sgRNA) and Cas9 cassettes were assembled on one vector to improve transformation efficiency, and we designed a sgRNA that targeted a transgene (bar) and six sgRNAs that targeted different sites of two endogenous soybean genes (GmFEI2 and GmSHR). The targeted DNA mutations were detected in soybean hairy roots. The results demonstrated that this customized CRISPR/Cas9 system shared the same efficiency for both endogenous and exogenous genes in soybean hairy roots. We also performed experiments to detect the potential of CRISPR/Cas9 system to simultaneously edit two endogenous soybean genes using only one customized sgRNA. Overall, generating and detecting the CRISPR/Cas9-mediated genome modifications in target genes of soybean hairy roots could rapidly assess the efficiency of each target loci. The target sites with higher efficiencies can be used for regular soybean transformation. Furthermore, this method provides a powerful tool for root-specific functional genomics studies in soybean.