基因组编辑技术在昆虫功能基因组研究中的应用

基因组编辑技术是在生物基因组水平上对靶标序列进行定点编辑的一种重要手段。近年来,锌指核酸酶技术(ZFNs)、类转录激活因子核酸酶技术(TALENs)、成簇且规律间隔的短回文重复序列和相关Cas蛋白的DNA核酸内切酶系统(CRISPR/Cas)等基因组编辑技术的相继问世,为功能基因组的研究提供了有效的实验手段。这3种基因组编辑技术的基本工作原理都是通过定点切割基因组DNA双链,从而诱导内源性的修复机制产生定点突变。通过介绍这3种技术的国内外研究现状及发展趋势探讨了基因组编辑技术在昆虫科学中的应用发展前景。     

CRISPR/Cas系统：RNA靶向的基因组定向编辑新技术

CRISPR/Cas系统广泛存在于细菌及古生菌中, 是机体长期进化形成的RNA指导的降解入侵病毒或噬菌体DNA的适应性免疫系统。对Ⅱ型CRISPR/Cas系统的改造使其成为继锌指核酸酶(ZFNs)和TALE核酸酶(TALENs)以来的另一种对基因组进行高效定点修饰的新技术, 与ZFNs和TALENs相比, CRISPR/Cas系统更简单, 并且更容易操作。文章重点介绍了Ⅱ型CRISPR/Cas系统的基本结构、作用原理及这一技术在基因组定点修饰中的应用, 剖析了该技术可能存在的问题, 展望了CRISPR/Cas系统的应用前景, 为开展这一领域的研究工作提供参考。     

基因组编辑技术及其在昆虫遗传转化中的应用

锌指核酸酶、类转录激活因子式核酸酶和CRISPR/Cas技术是近几年发展起来的3种主要基因组编辑技术,其原理都是通过在生物基因组特定位点制造DNA双链断裂损伤,从而激活机体自身的DNA损伤修复机制,在此过程中引发各种变异。基因组编辑技术已在研究基因功能和基因修复中成功应用,基于基因组编辑技术的诸多优点,如CRISPR/Cas技术能对基因组中多个特定位点进行编辑,其有望成为昆虫遗传转化的主要策略。本文就锌指核酸酶、类转录激活因子式核酸酶和CRISPR/Cas技术的基本原理及其在昆虫中的应用做一简介,为今后利用基因组编辑技术进行昆虫遗传转化提供些许参考。     

基因组编辑技术与模式动物

随着高通量测序技术的发展,后基因组时代的研究重点已转移至如何阐明基因功能。以胚胎干细胞(ES)和同源重组为基础的基因打靶技术在生命科学及医学研究中做出了重要贡献,但存在打靶效率低、耗时长、有物种限制等缺点。近年来,锌指核酸酶(ZFNs)、类转录激活因子核酸酶(TALENs)及CRISPR/Cas9等新的基因组编辑技术的兴起极大地推进了基因功能研究的进展。ZFNs与TALENs包含两个结构域,识别并结合核苷酸的DNA结合域和Fok I核酸内切酶,两者的区别在其DNA识别结构域:ZFNs识别的基本单位为3个连续碱基对,TALENs则识别单个碱基。与ZFNs及TALENs不同,CRISPR/Cas9以碱基互补配对机制识别并结合DNA,该技术设计简便,在各物种中得到广泛应用。自ES细胞打靶技术至今,研究者采用基因打靶技术已获得许多疾病相关模型,这些模型在基因功能、人类疾病治疗及基因治疗等方面发挥着越来越重要的作用。将对各类基因组编辑技术的原理及应用情况进行总结,同时介绍模式动物在生命科学及医学研究中的应用情况。     

基因组编辑技术在水稻功能基因组和遗传改良中的应用

基因组编辑技术对植物基因功能研究和作物遗传改良具有巨大的潜在价值。CRISPR/Cas9系统是继锌指核酸酶(ZFNs)和类转录激活效应因子核酸酶(TALENs)系统之后的新一代基因组编辑技术系统,具有操作简单和效率高等优点。概述了CRISPR/Cas9系统的技术特点及其在水稻基因功能研究及遗传改良中的应用,并指出了该系统在植物基因精准编辑中需要突破的关键问题。     

CRISPR-CAS系统介导的新一代基因靶向修饰技术及其在工业微生物中的应用

Clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)/CRISPR-associated(Cas)是一种广泛存在于细菌和古细菌基因组中含有间隔重复序列的基因结构,可由RNA介导为细菌提供一种特异性免疫保护机制,抵御外来病毒、噬菌体的二次侵染。通过对CRISPR/CAS系统Ⅱ进行改造,该系统成为了继锌指核酸酶(ZFNs)和TALE核酸酶(TALENs)以来的另一种能够对基因组进行高效定点修饰的技术,具有灵活、高效、廉价且易于操作等优点。目前CRISPR/Cas技术已经应用于微生物、哺乳动物细胞、果蝇和水稻等多种生物体中,在基因修饰方面也取得了一定的成果。本文从CRISPR/Cas系统的结构、分类、基因组编辑的分子机制,以及在工业微生物中的应用和存在问题、前景等方面进行了综述。     

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。