醋酸菌中CRISPR位点的比较基因组学与进化分析

CRISPR (Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)是近几年发现的一种广泛存在于细菌和古菌中,能够应对外源DNA干扰(噬菌体、病毒、质粒等),并提供免疫机制的重复序列结构。CRISPR系统通常由同向重复序列、前导序列、间隔序列和CRISPR相关蛋白组成。本研究以醋酸发酵中常见3个属醋杆菌属(Acetobacter)、葡糖醋杆菌属(Gluconacetobacter)和葡糖杆菌属(Gluconobacter)的48个菌株为研究对象,通过其基因组上CRISPR相关基因序列的生物信息学分析,探索CRISPR位点在醋酸菌中的多态性及其进化模式。结果表明48株醋酸菌中有32株存在CRISPR结构,大部分CRISPR-Cas结构属于type I-E和type I-C类型。除了葡糖杆菌属外,葡糖醋杆菌属和醋杆菌属中的部分菌株含有II类的CRISPR-Cas系统结构(CRISPR-Cas9)。来自不同属菌株的CRISPR结构中重复序列具有较强的保守性,而且部分菌株CRISPR结构中的前导序列具有保守的motif (与基因的转录调控有关)及启动子序列。进化树分析表明cas1适合用于醋酸菌株的分类,而不同菌株间cas1基因的进化与重复序列的保守性相关,预示它们可能受相似的功能选择压力。此外,间隔序列的数量与噬菌体数量及插入序列(Insertion sequence, IS)数量有正相关的趋势,说明醋酸菌在进化过程中可能正不断受新的外源DNA入侵。醋酸菌中CRISPR结构位点的分析,为进一步研究不同醋酸菌株对醋酸胁迫耐受性差异及其基因组稳定性的分子机制奠定了基础。     

CRISPRs基因编辑技术研究进展

CRISPR(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)基因簇是一段成簇的短间距回文非编码序列,它可以通过整合新的间隔子序列实现对入侵外源DNA的记忆,而Cas(CRISPR-associated protein)蛋白则负责辅助CRISPR的转录产物cr RNA(CRISPR RNA),对外源DNA进行切割。二者协作组成了生物体的CRISPR-Cas系统,发挥抵御外源DNA侵染的作用。目前,CRISPR-Cas系统凭借着高效、简单、低成本、高特异性的独特优势迅速吸引了整个科学界的注意,成为研究的一大热点。对CRISPR-Cas系统的组成、结构、分型以及CRISPR技术作用机理、优势等做了详细的介绍,并以嗜热链球菌为例,分析了CRISPR基因的碱基排布及其高级结构,旨在为分子生物学及相关领域的科学研究提供参考。     

诺贝尔化学奖授予CRISPR-Cas9基因编辑研究

2020年，诺贝尔化学奖授予现在德国马普感染生物学研究所工作的法国科学家Emmanuelle Charpentier和美国加州大学伯克利分校的?Jennifer Doudna，表彰她们发明CRISPR基因编辑方法。她们揭示了Cas9具有RNA介导的DNA 核酸内切酶活性，可以切断任意DNA双链，产生DNA双链断裂。她们还指出CRISPR具有在活细胞中修改基因的能力，利用CRISPR-Cas9编辑工具人们可以精确改变细胞中的DNA。由于简单、高效、廉价等特征，CRISPR已经成为全球最为流行的基因编辑技术，被称为编辑基因的“魔剪”。本文介绍两位诺贝尔化学奖获得者的研究成果，总结CRISPR系统的发现过程，并概述CRISPR-Cas9的功能以及应用。     

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。     

极端酸性矿山环境微生物基于CRISPR系统的适应性免疫机制

【目的】通过对酸性矿山环境中嗜酸硫杆菌属(Acidithiobacillus)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、钩端螺旋菌属(Leptospirillum)、硫化杆菌属(Sulfobacillus)、酸原体属(Acidiplasma)和铁质菌属(Ferroplasma)的100株冶金微生物基因组中CRISPR-Cas系统的结构特征和同源关系进行生物信息学分析,在基因组水平上解析冶金微生物基于CRISPR系统对极端环境的适应性免疫机制。【方法】从NCBI网站下载基因组序列,采用CRISPR Finder定位基因组中潜在的CRISPR簇。分析CRISPR系统的组成结构与功能:利用Clustal Omega对重复序列(repeat)分类;将间隔序列(spacer)分别与nr数据库、质粒数据库和病毒数据库比对,获得注释信息;根据Cas蛋白的种类和同源性对酸性矿山环境微生物的CRISPR-Cas系统分型。【结果】在100株冶金微生物基因组中共鉴定出415个CRISPR簇,在176个c CRISPR簇中共有80种不同的重复序列和4147条间隔序列。对重复序列分类,发现12类重复序列均能形成典型的RNA二级结构,Cluster10中的重复序列在冶金微生物中最具有代表性。间隔序列注释结果表明,这些微生物曾遭受来自细菌质粒与病毒的攻击,并通过不同的防御机制抵抗外源核酸序列的入侵。冶金微生物细菌的大部分CRISPR-Cas系统属于I-C和I-E亚类型,而古菌的CRISPR-Cas系统多为I-D亚类型,两者基于CRISPR-Cas系统的进化过程中存在显著差异。【结论】酸性矿山环境微生物的CRISPR结构可能采用不同免疫机制介导外源核酸序列与Cas蛋白的相互作用,为进一步揭示极端环境微生物的适应性进化机理奠定了基础。     

基于全基因组序列的弯曲菌特征分析

空肠弯曲菌(Campylobacter jejuni)和结肠弯曲菌(Campylobacter coli)是引起人类腹泻的主要致病菌。传统生化方法在鉴定弯曲菌时存在步骤多、耗时长、通量低等问题。本研究通过利用生物信息学方法对弯曲菌全基因组进行序列、基因注释、耐药基因、多位点序列分型以及CRISPR-Cas系统等分析,挖掘能够有效区分空肠弯曲菌和结肠弯曲菌的高分辨力特征。实验结果表明,空肠弯曲菌和结肠弯曲菌在基因组序列长度、GC含量、基因数量、多位点序列分型以及CRISPR-Cas系统等方面存在显著差异。同时,研究还发现了一段在空肠弯曲菌基因组中广泛存在的高分辨力CRISPR重复序列。这些特征可用于构建能够准确鉴别空肠弯曲菌和结肠弯曲菌的生物信息学方法。     

基于CRISPR-Cas9的筛选文库类型及应用

文库筛选技术广泛应用于生命科学研究各领域,加速了生物医药基础科研和临床实践的进展。本文对基于CRISPR-Cas9的文库类型和应用进行综述。CRISPR-Cas9文库包括敲除、活化和抑制文库。敲除文库通过Cas9/sgRNA靶向切割DNA序列,产生移码突变进行基因敲除。活化文库包括两种：一种是dCas9/sgRNA与转录活化蛋白质融合,例如dCas9-SAM,dCas9-SunTag和dCas9-VPR系统;另一种是dCas9与表观遗传修饰酶融合,例如dCas9-Tet1和dCas9-p300系统。CRISPR-Cas9抑制文库通过dCas9与表观遗传修饰蛋白质融合,抑制转录,例如dCas9-KRAB和dCas9-Dnmt3a系统。目前,CRISPR-Cas9文库广泛用于功能基因筛选、药物靶点和耐药靶点筛选、病毒靶点筛选和揭示信号通路,并在基因互作筛选及揭示顺式调节元件功能等方面初步展现其优势。CRISPR-Cas9文库优势在于其设计灵活、操作便捷、筛选高效。伴随基因编辑系统的研发,新的筛选文库靶向性和突变将更加精准,应用将更加拓展和深化。基于CRISPR-Cas9筛选文库不仅可以筛选病理和生理过程中的关键基因和非编码DNA,还可以揭示其发挥功能的分子机制,是剖析生命复杂调控网络的手术刀。     

CRISPR-Cas9与抗肿瘤免疫治疗的研究进展

CRISPR是最早发现于原核生物中的一种适应性免疫机制,具有序列特异性核酸切割活性,新近迅速发展成为一种新的基因编辑工具CRISPR-Cas9系统,并被广泛应用于包括抗肿瘤免疫在内的医学研究。其中,基于CRISPR-Cas9技术的CAR T细胞和肿瘤特异性TCR T细胞在抗肿瘤治疗研究中显示出良好的应用前景。本文综述了有关CRISPR-Cas9在基因编辑中的作用机制、递送策略及其用于抗肿瘤免疫治疗的研究进展。     

小麂线粒体基因组全序列的测定和分析

通过建立麂属动物小麂线粒体DNA文库、鸟枪法测序,获得了小麂线粒体基因组全序列并对其基因组成、蛋白质的编码序列、tRNA基因等结构作了详细分析,这也是国内有关哺乳动物线粒体基因组全序列的首次报道。与其他哺乳动物线粒体基因组全序列的比较研究发现：全长为16 354bp的小麂线粒体基因组同样编码13种蛋白质、2种rRNA和22种tRNA,除了用于调控线粒体DNA复制和转录的D-Loop区以外,小麂线粒体基因组各基因长度、位置与其他哺乳动物相似,其编码蛋白质区域和rRNA基因与其他哺乳动物具有很高的同源性。     

基于CRISPR-Cas9的筛选文库的类型与应用

文库筛选技术广泛应用于生命科学研究各领域,加速了生物医药基础科研和临床实践的进展。本文对基于CRISPR-Cas9的文库类型和应用进行综述。CRISPR-Cas9文库包括敲除、活化和抑制文库。敲除文库通过Cas9/sgRNA靶向切割DNA序列,产生移码突变进行基因敲除。活化文库包括两种:一种是dCas9/sgRNA与转录活化蛋白质融合,例如dCas9-SAM,dCas9-SunTag和dCas9-VPR系统;另一种是dCas9与表观遗传修饰酶融合,例如d Cas9-Tet1和d Cas9-p300系统。CRISPR-Cas9抑制文库通过dCas9与表观遗传修饰蛋白质融合,抑制转录,例如d Cas9-KRAB和d Cas9-Dnmt3a系统。目前,CRISPR-Cas9文库广泛用于功能基因筛选、药物靶点和耐药靶点筛选、病毒靶点筛选和揭示信号通路,并在基因互作筛选及揭示顺式调节元件功能等方面初步展现其优势。CRISPR-Cas9文库优势在于其设计灵活、操作便捷、筛选高效。伴随基因编辑系统的研发,新的筛选文库靶向性和突变将更加精准,应用将更加拓展和深化。基于CRISPR-Cas9筛选文库不仅可以筛选病理和生理过程中的关键基因和非编码DNA,还可以揭示其发挥功能的分子机制,是剖析生命复杂调控网络的手术刀。     

CRISPR-Cas9应用于病毒性传染病防控的研究进展

病毒性传染病是威胁人类健康的重要因素,迫切需要新的治疗方法来降低由急性病毒感染如鼻病毒和登革热病毒以及慢性病毒感染如人类免疫缺陷病毒1和乙型肝炎病毒引起的发病率和死亡率.随着分子生物学技术的发展,靶向序列特异性的基因编辑技术成为传染病治疗的有力工具.其中规律成簇间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)-CRISPR相关蛋白9(CRISPR associated protein 9,Cas9)凭借其高效、简便、高特异性等特点被广泛应用于细胞系和动物模型中的传染病治疗,从而成为有前景的新型传染病治疗模式.目前,利用病毒和非病毒载体将Cas9以DNA、m RNA或蛋白质的形式递送到细胞中的可行性研究和评估CRISPR-Cas9体内适用性的临床试验已经在进行中.本篇综述中,我们将对CRISPR-Cas9的原理,其应用于传染病治疗的最新研究进展以及该技术面临的挑战和可预测性的解决方法等加以概述,并进一步展望其未来的发展方向.     

橡胶树白粉菌MAT相关基因(STE2基因)的克隆及表达分析

以橡胶树白粉菌(Oidium heveae B.A.Steinm)为材料,根据同源性克隆得到一个MAT相关基因的DNA和c DNA序列,命名为OH-MAT2。生物信息学分析表明,这个基因DNA全长为964 bp,具有一个921 bp的完整开放阅读框(ORF),编码307个氨基酸。其编码的蛋白质分子量为35 584.1,等电点为9.78,且是稳定的疏水性蛋白质。氨基酸序列分析该蛋白质具有STE2家族的保守结构域。结构预测表明该蛋白质主要有α-螺旋、β-折叠及转角构成。相对荧光定量显示该基因在侵染不同时段有表达,且差异明显。     

益生菌的功能基因导入和基因编辑

益生菌已经在临床和食品领域应用多年,其安全性和有效性已经获得人们的认可。随着分子生物学技术的发展,采用益生菌作为载体进行基因导入或基因编辑,这些遗传改造的益生菌一部分已经作为新的药品或疫苗进入到临床应用阶段。携带功能基因的益生菌定殖于肠道进行表达和缓慢释放,这类益生菌作为活体药物获得益生菌和功能基因的双重功效,可用于治疗某些疑难病症。携带蛋白质抗原基因的益生菌定殖于肠道进行表达,可诱导肠道黏膜免疫、细胞免疫和体液免疫,这是一条更安全的口服疫苗途径。成簇的规则间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)及其相关蛋白(CRISPR-associated protein,Cas)以其高效与便捷性推动了益生菌基因编辑的发展。这篇综述介绍了CRISPR-Cas9操作系统在益生菌方面的应用。对传统遗传操作较难的益生菌采用CRISPR-Cas9技术进行基因编辑,使其基因敲除和基因突变,基因敲入和基因调控等更为简单、高效和易操作。这些CRISPR/Cas9、CRISPRa和CRISPRi技术在益生菌的基因表达调控和代谢工程等领域具有巨大的应用潜力,例如医药、食品以及工业等相关重要产品的获得。本文总结了益生菌基因导入和基因编辑在生物制品生产中的相关应用,最后对其未来的研究方向进行展望。     

CRISPR相关的生物信息学基础

成簇规律间隔短回文序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)是细菌和古细菌在不断进化的过程中获得的一种适应性免疫防御机制,该结构与一些功能相关的蛋白质(CRISPR-associated,Cas)合称CRISPR-Cas系统。由于其致突变效率高、操作简单及成本较低的特点,近年来对CRISPR/Cas系统的研究获得越来越广泛的关注。该系统迅速在各领域中得到广泛应用,被认为是一种具有广阔应用前景的基因组定点改造分子工具。但是,该系统存在脱靶效应、测序数据分析等挑战。为此,许多研究者开发出各种软件解决以上问题。本文着重从生物信息学的角度出发,对CRISPR/Cas系统中sgRNA的设计软件、CRISPR全基因组筛选功能基因的测序数据分析软件以及CRISPR在生物信息学中的运用作一系统综述。     

靶向RNA的CRISPR-Cas系统研究进展

CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)-Cas(CRISPR associated proteins)系统是细菌和古细菌抵抗噬菌体、质粒等外源遗传物质的一种适应性免疫系统,该系统利用一种特殊的RNA(CRISPR RNA,crRNA)指导的内切酶来切割与crRNA相互补的外源遗传物质,从而阻碍外源核酸的侵染。根据效应复合物组成形式的不同,CRISPR-Cas系统分为1类(Ⅰ型、Ⅳ型和Ⅲ型)和2类(Ⅱ型、Ⅴ型和Ⅵ型)两大类。目前已发现多个CRISPR-Cas系统具有非常强的特异靶向RNA编辑能力,如Ⅵ型CRISPR-Cas13系统和Ⅲ型CRISPR-Cas7-11系统。随着研究的深入,相关系统在RNA编辑领域应用日渐广泛,使其成为基因编辑的有力工具。本文介绍了靶向RNA的CRISPR-Cas系统的组成、结构、分子机制以及其潜在应用,这为更好地研究该类系统的作用机制奠定基础,也为后期开发为稳定的基因编辑工具提供新的思路。     

肠球菌CRISPR-Cas系统基因结构的分析及其与耐药基因的关系

CRISPR-Cas系统是一种细菌的适应性免疫系统,参与特异性防御不同类型的可移动遗传元件,如质粒、噬菌体、转座子等的入侵。旨在分析肠球菌（Enterococcus）基因组中该系统的基因结构,并探讨其与细菌耐药基因之间的关系。NCBI数据库中下载10种肠球菌的全基因组信息,利用软件对CRISPR-Cas系统的分布、cas1基因、重复序列、间隔序列等进行比对分析;查找耐药相关基因,分析其与CRISPR-Cas系统之间的关系。235株肠球菌中含完整CRISPR-cas系统的有35株（14.9%）,含确定CRISPR阵列196个和cas基因簇46个。肠球菌基因组中CRISPR系统主要为II-A型（80.4%）,其次是II-C型（15.2%）,cas1基因序列的系统发育分析结果与CRISPR-cas系统的分型基本一致。肠球菌CRISPR-Cas系统的分布在不同菌种之间差异较大;CRISPR-Cas系统可能阻碍肠球菌某些耐药基因的水平转移。     

CRISPR-Cas9技术在遗传性疾病基因治疗中的研究进展

CRISPR-Cas9是一种能够降解入侵病毒或噬菌体DNA的适应性免疫防御系统。CRISPR/Cas9系统被开发成为新一代的基因编辑技术,其特点是构建相对简单、成本相对较低,可灵活快速地用于基因敲除、基因增补等操作。CRISPR/Cas9技术在人类遗传病治疗中具有重大的潜在意义,已被广泛应用于遗传病相关研究中。我们简要综述了近年来CRISPR/Cas9基因编辑技术在地中海贫血、杜氏肌营养不良、帕金森症、Crygc基因突变引发的白内障、囊性纤维化、α1抗胰蛋白酶缺乏症、遗传性酪氨酸血症、血友病等遗传性疾病基因治疗中的研究进展。     

CRISPR相关转座元件的研究及应用进展

CRISPR-Cas的基因编辑能力引发了人们对该系统的研究热潮。除了实现基因的敲除和插入,CRISPR-Cas系统还可以被应用于基因簇重组、单碱基编辑和基因转录调控,推动了生物工程领域的发展。然而,有限的同源重组效率使CRISPR-Cas系统的应用受到了一定的限制。与CRISPR-Cas系统相比,移动遗传元件(mobile genetic elements,MGE)在转座酶的调控下,不需要依赖同源重组即可将指定DNA片段定向插入到细胞染色体中。近几年,人们发现了具有转座机制的CRISPR相关的转座元件,它可以介导DNA靶向整合,同时其出色的重编程能力为该领域的研究带来了新的发展。本文主要介绍近年来CRISPR-Cas系统相关转座元件的研究方向和应用进展,以及人工融合的dCas9-transposase系统的应用策略。文中还提出了CRISPR相关转座元件未来的应用前景和潜在挑战,为基因编辑工具的发展方向提供了参考意见。     

人TRALL基因cDNA的克隆与序列测定

为研究人 TRALL的基因组结构 ,生物学性能和用于肿瘤生物治疗的可能性 ,利用反转录聚合酶链反应 (RT- PCR)从人急性早幼粒白血病细胞系 HL - 6 0细胞总 PNA中扩增出人 TRALL基因编码区 c DNA序列 ,将其克隆至 p GEM- T载体中 ,序列测定表明 ,克隆片段与文献报道的人TRALL基因编码区 c DNA序列完全一致。     

CRISPR-Cas系统在细菌生理中的作用

规律成簇的间隔短回文重复(CRISPR)及相关基因(cas)组成了CRISPR-Cas系统,该系统存在于约90%的古细菌和40%的细菌基因组内,使细菌对外源基因的入侵具有获得性免疫作用。我们简要介绍细菌CRISPR-Cas系统的结构和作用机制,并对其在细菌毒力、耐药性传递、生物膜形成等生理中的作用进行综述。