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/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。     

CRISPR/Cas系统分类和病原体检测的研究进展

基于CRISPR/Cas系统识别和切割靶标DNA或RNA的特性不仅开发出精准、高效的基因编辑技术,也设计出革新的高灵活性和灵敏度的病原体检测技术。该文介绍并阐明CRISPR/Cas系统的不同作用机制和最新分类,着重综述“2”类CRISPR系统在诸多病原体检测中的研究进展,讨论分析了CRISPR/Cas系统在病原体检测领域存在的优点以及面临的挑战。     

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。     

CRISPR/Cas系统最新研究进展

CRISPR/Cas系统为细菌与古细菌中抵御外源病毒和质粒DNA入侵的获得性免疫机制系统。作为一种新型的基因组编辑技术,具有设计简单、特异性强、效率高等优点,为基因组定向改造调控和应用带来了突破性的革命。就CRISPR/Cas系统的研究背景、存在类型以及TypeⅡ和TypeⅢCRISPR系统的基本作用原理和新的研究突破做了较为详尽的介绍,以便为读者和相关领域的研究者提供参考。     

CRISPR/Cas基因编辑技术及其在真菌中的应用

CRISPR/Cas系统是细菌和古生菌中抵抗外源病毒或质粒入侵的获得性免疫系统。其中II型CRISPR/Cas系统已被改造成为一个简便、高效的基因编辑工具,并在动物、植物和微生物基因功能研究和遗传改良中得到广泛应用。简述了CRISPR/Cas系统的结构、作用机理及分类情况,归纳总结了CRISPR/Cas9系统在酿酒酵母和其他丝状真菌中的应用,并对该技术可能出现的问题及应用前景进行了展望,以期为真菌基因编辑研究提供参考。     

CRISPR/Cas9:基因编辑的新时代

基因编辑技术是通过核酸内切酶对基因组DNA进行定向改造的技术,可以实现对特定DNA碱基的缺失、替换等,常用的四种基因编辑工具分别是:巨型核酸酶、锌指核酸酶、转录激活因子样效应物核酸酶以及CRISPR/Cas9系统。其中CRISPR/Cas9系统作为一种新型的基因组编辑技术具有组成简单、特异性好、切割效率高的优点。该文对CRISPR/Cas9系统的结构组成和功能机制,动植物基因靶向编辑和人类在遗传性疾病、病毒感染性疾病以及肿瘤方面进行综述,旨在对CRISPR/Cas9系统的现状和发展进行总结和展望。     

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。     

新一代精准基因编辑工具CRISPR/Cas9的技术优势与应用局限

CRISPR/Cas9(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats/Cas9)是继锌指核酸酶(ZFNs)和类转录激活因子效应物核酸酶(TALENs)基因编辑技术之后的第三代基因编辑技术。CRISPR/Cas9在细菌和古生菌中广泛存在,是细菌在长期进化过程中形成的一种"适应性免疫防御",能够针对噬菌体感染、质粒接合和转化所造成的外源导入基因特异性识别、降解入侵的外源DNA,CRISPR/Cas9通过一段20 bp的短RNA来识别打靶位点的精准编辑技术。CRISPR/Cas9具有设计操作简便、编辑高效和通用性广等优点,是新一代具有革命意义的精准基因编辑技术。从CRISPR/Cas9的发现、作用机理、基因编辑以及应用局限等方面进行归纳总结,旨为理解其工作原理和精准基因编辑技术应用提供参考。     

CRISPR system: Discovery,development and off-target detection

As a revolutionary gene editing tool based on the adaptive immune defense mechanism of bacteria and archaea against exogenous DNA invasion, CRISPR/Cas system shows many remarkable characteristics over ZFNs and TALENs. However, off-target effect remains as one of the major imperfection of CRISPR/Cas system, hindering its further application in translational research. In this review, we highlight major breakthrough cross the development/application of this powerful toolkit, and summarize feasible methods for detecting potential off-target effects during genetic manipulation. We hope this review will assist scientists for accurate genomic editing in their future research.     

Structural features of Cas2 from Thermococcus onnurineus in CRISPR‐cas system type IV

CRISPR‐Cas is RNA‐based prokaryotic immune systems that defend against exogenous genetic elements such as plasmids and viruses. Cas1 and Cas2 are highly conserved components that play an essential part in the adaptation stage of all CRISPR‐Cas systems. Characterization of CRISPR‐Cas genes in Thermococcus onnurineus reveals the association of the Cas2 gene with the putative type IV system that lacks Cas1 or its homologous genes. Here, we present a crystal structure of T. onnurineus Cas2 (Ton_Cas2) that exhibits a deep and wide cleft at an interface lined with positive residues (Arg16, Lys18, Lys19, Arg22, and Arg23). The obvious DNA recognizing loops in Cas2 from E. coli (Eco_Cas2) are absent in Ton_Cas2 and have significantly different shapes and electrostatic potential distributions around the putative nucleotide binding region. Furthermore, Ton_Cas2 lacks the hairpin motif at the C‐terminus that is responsible for Cas1 binding in Eco_Cas2. These structural features could be a unique signature and indicate an altered functional mechanism in the adaptation stage of Cas2 in type IV CRISPR‐Cas systems.     

Genome editing in mammalian cells using the CRISPR type I-D nuclease

Adoption of CRISPR–Cas systems, such as CRISPR–Cas9 and CRISPR–Cas12a, has revolutionized genome engineering in recent years; however, application of genome editing with CRISPR type I—the most abundant CRISPR system in bacteria—remains less developed. Type I systems, such as type I-E, and I-F, comprise the CRISPR-associated complex for antiviral defense (‘Cascade’: Cas5, Cas6, Cas7, Cas8 and the small subunit) and Cas3, which degrades the target DNA; in contrast, for the sub-type CRISPR–Cas type I-D, which lacks a typical Cas3 nuclease in its CRISPR locus, the mechanism of target DNA degradation remains unknown. Here, we found that Cas10d is a functional nuclease in the type I-D system, performing the role played by Cas3 in other CRISPR–Cas type I systems. The type I-D system can be used for targeted mutagenesis of genomic DNA in human cells, directing both bi-directional long-range deletions and short insertions/deletions. Our findings suggest the CRISPR–Cas type I-D system as a unique effector pathway in CRISPR that can be repurposed for genome engineering in eukaryotic cells.     

CRISPR/Cas基因编辑技术在增强子功能分析及鉴定中的研究进展*

增强子是生物体内重要的顺式基因表达调控元件,参与众多生物学过程,与癌症的发生发展及多种疾病的产生紧密相关。虽然基于生物信息学的方法可以对增强子进行鉴定和筛选,然而由于增强子与靶基因的位置和方向不确定,大大增加了深入研究增强子调控机制的难度。近年来,CRISPR/Cas技术的不断发展创新,为揭示和验证增强子的分子机制提供了可操作性。因此,在系统回顾CRISPR/Cas技术的发展过程及在生物学中的应用基础上,重点总结近年来CRISPR/Cas技术在增强子研究中的创新应用,包括不同CRISPR/Cas技术的作用原理及CRISPR/Cas技术如何编辑增强子等,以期为利用CRISPR/Cas技术研究增强子功能机制提供可行性参考。     

CRISPR-Cas生物传感器研究进展

成簇规律间隔短回文序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)系统是广泛存在于细菌中的一种特有的免疫防御机制,与特殊的Cas蛋白结合后能够有效的对外源的核酸分子进行特异性片段化,并进一步促进其降解。CRISPR-Cas系统具有独特的靶向性,为开发针对于核酸为底物的生物传感器提供了新的概念。越来越多的研究人员根据不同Cas蛋白的性质,建立了独特的逻辑系统对靶标物质进行准确识别,基于CRISPR技术的生物传感器也开拓了该技术在基因编辑以外领域的应用。介绍了CRISPR-Cas系统的起源、作用机制和科学分类,根据生物传感器的作用方式以及识别底物进行了分类,并对基于CRISPR-Cas系统的高效生物传感器的应用前景进行了展望。