基于CRISPR/Cas9的基因分析方法研究进展

自2012年首次证明了CRISPR/Cas9可以在体外进行DNA切割试验以来,CRISPR技术逐渐在基因编辑研究中获得了迅速的发展,除了应用于基因编辑领域之外,它在基因表达调控、基因成像、基因分析等方面也展现出了巨大的应用潜力。尤其在基因分析领域,CRISPR技术由于其精确的基因识别、室温的反应条件、易设计性和操作性等特色,使得一系列新型的基因检测技术得以发展,并取得了超越常规技术的一些检测参数。本文以Cas9蛋白为对象,综述了近些年来在该领域取得的研究进展。主要论述Cas9蛋白的功能、改造、引导RNA(sgRNA)的设计及其在基因分析方法上的应用。     

A Site‐Specific Integration Reporter System That Enables Rapid Evaluation of CRISPR/Cas9‐Mediated Genome Editing Strategies in CHO Cells

Targeted gene knockout and site‐specific integration (SSI) are powerful genome editing techniques to improve the development of industrially relevant Chinese hamster ovary (CHO) cell lines. However, past efforts to perform SSI in CHO cells are characterized by low efficiencies. Moreover, numerous strategies proposed to boost SSI efficiency in mammalian cell types have yet to be evaluated head to head or in combination to appreciably boost efficiencies in CHO. To enable systematic and rapid optimization of genome editing methods, the SSIGNAL (s ite‐s pecific i ntegration and g en ome al teration) reporter system is developed. This tool can analyze CRISPR (clustered regularly interspaced palindromic repeats)/Cas9 (CRISPR‐associated protein 9)‐mediated disruption activity alone or in conjunction with SSI efficiency. The reporter system uses green and red dual‐fluorescence signals to indicate genotype states within four days following transfection, facilitating rapid data acquisition via standard flow cytometry instrumentation. In addition to describing the design and development of the system, two of its applications are demonstrated by first comparing transfection conditions to maximize CRISPR/Cas9 activity and subsequently assessing the efficiency of several promising SSI strategies. Due to its sensitivity and versatility, the SSIGNAL reporter system may serve as a tool to advance genome editing technology.     

A biotechnology‐based male‐sterility system for hybrid seed production in tomato

Incorporating male sterility into hybrid seed production reduces its cost and ensures high varietal purity. Despite these advantages, male‐sterile lines have not been widely used to produce tomato (Solanum lycopersicum) hybrid seeds. We describe the development of a biotechnology‐based breeding platform that utilized genic male sterility to produce hybrid seeds. In this platform, we generated a novel male‐sterile tomato line by clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)/CRISPR‐associated protein 9 (Cas9)‐mediated mutagenesis of a stamen‐specific gene SlSTR1 and devised a transgenic maintainer by transforming male‐sterile plants with a fertility‐restoration gene linked to a seedling‐colour gene. Offspring of crosses between a hemizygous maintainer and the homozygous male‐sterile plant segregated into 50% non‐transgenic male‐sterile plants and 50% male‐fertile maintainer plants, which could be easily distinguished by seedling colour. This system has great practical potential for hybrid seed breeding and production as it overcomes the problems intrinsic to other male‐sterility systems and can be easily adapted for a range of tomato cultivars and diverse vegetable crops.     

谷氨酸棒杆菌碱基编辑的条件优化

近年来,基于CRISPR/Cas9的碱基编辑技术因其具有不产生DNA双链断裂、无需外源DNA模板、不依赖宿主同源重组修复的优势,已经逐渐发展成为一种强大的基因组编辑工具,在动物、植物、酵母和细菌中得到了开发和应用。研究团队前期已在重要的工业模式菌株谷氨酸棒杆菌中开发了一种多元自动化的碱基编辑技术MACBETH,为进一步优化该方法,提高碱基编辑技术在谷氨酸棒杆菌中的应用效率,本研究首先在谷氨酸棒杆菌中构建了基于绿色荧光蛋白(GFP)的检测系统:将GFP基因的起始密码子ATG人工突变为ACG,GFP无法正常表达,当该密码子的C经编辑后恢复为T,即实现GFP蛋白的复活,结合流式细胞仪分析技术,可快速衡量编辑效率。然后,构建针对靶标位点的碱基编辑工具,经测试,该位点可成功被编辑,在初始编辑条件下碱基编辑效率为(13.11±0.21)%。在此基础上,通过对不同培养基类型、诱导初始OD600、诱导时间、诱导物浓度进行优化,确定最优编辑条件是:培养基为CGXII,初始OD600为0.05,诱导时间为20 h,IPTG浓度为0.01 mmol/L。经过优化,编辑效率达到(30.35±0.75)%,较初始条件提高了1.3倍。最后,选取原编辑条件下编辑效率较低的位点,进行了优化后编辑条件下的编辑效率评估,结果显示,不同的位点在最优编辑条件下的编辑效率提高了1.7–2.5倍,进一步证实该优化条件的有效性及通用性。研究结果为碱基编辑技术在谷氨酸棒杆菌中更好的应用提供了重要的参考价值。     

基因编辑动物模型在人类疾病研究中的应用

近年来,随着以CRISPR/Cas9为代表的多种CRISPR系统的开发和不断改进,基因编辑技术逐渐完善,并广泛应用于人类疾病动物模型的制备。基因编辑动物模型为人类疾病的发病机理、病理过程以及预防和治疗等方面的研究提供了重要的素材。目前,用于人类疾病研究的基因编辑动物模型主要有小鼠、大鼠为代表的啮齿类动物模型和以猪为代表的大动物模型。其中啮齿类动物在机体各方面与人类差别较大,且寿命短,无法对人类疾病的研究和治疗提供有效评估和长期追踪;而猪在生理学、解剖学、营养学和遗传学等各方面与人类更接近,是器官移植和人类疾病研究领域重要的动物模型。文中主要介绍了基因编辑动物模型在神经退行性疾病、肥厚心肌病、癌症、免疫缺陷类疾病和代谢性疾病等5种人类疾病研究中的应用情况,以期为人类疾病研究及相关动物模型的制备提供参考。     

基因编辑技术发展现状

鉴于以CRISPR/Cas9为代表的基因编辑技术在可操作性、经济性和时效性上取得的革命性突破,以及国内外对此技术的研发和应用现状,中国有可能在基因编辑技术的下游技术研发 (特别是植物基因编辑的应用)、专业公司孵化等方面取得突破。因此分析目前中国基因编辑技术发展的关键需求、潜在应用领域就显得尤为迫切和必要。采用问卷调查和计量方法对基因编辑技术发展的关键技术需求和最潜在应用领域进行研究。首先建立有序多分类Logistic回归模型并进行因变量分析,通过显著性检验在4个方面共24个问卷问题中选择8个存在显著因果关系的自变量,然后基于有序多分类Logistic回归模型,分析8个问题中不同选项对基因编辑技术发展的具体影响作用。调查结果表明多数基因编辑领域的研究人员认为在注重基因编辑基础技术研发的同时应更多地关注如何进行技术产业化,要注重在植物领域发展潜在竞争优势;促进我国基因编辑技术发展不仅需要科研机构参与,更需要包括高校、政府在内的多方力量协同作用;正确引导公众的基因编辑技术舆论认识和建立安全规范体系较为迫切;技术风险规避的重点应放在生物武器和生物恐怖、基因编辑相关传染病、物种基因改变对生态环境的潜在风险等方面。     

基于CRISPR/Cas系统的生物传感策略研究进展

CRISPR/Cas9系统是继锌指核酸内切酶、类转录激活因子效应物核酸酶之后的第三代基因组定点编辑工具,因其具有特异性切割双链DNA的能力,被广泛应用于基因编辑、生物传感等领域。Cas12a(Cpf1)、Cas13a(C2c2)等蛋白"附属切割"活性的发现,拓展了CRISPR/Cas系统在生物传感中的应用。近年来,研究人员开发出一系列快速、超敏、高特异性的生物传感系统用于分子检测,如SHERLOCK,DETECTR等。本文主要综述了基于CRISPR/Cas系统的生物传感策略的研究进展,并展望了其未来发展的方向。