基于CRISPR/Cas9基因编辑技术的本科教学实验体系的创建与实践

CRISPR/Cas9是新兴的基因编辑技术,在生命科学研究中发挥着重要的作用。将它引入本科生的实验教学,使本科生了解这项前沿科研技术很有意义。我们创建了一个基于CRISPR/ Cas9技术的本科教学实验体系。该实验体系侧重CRISPR/Cas9技术在哺乳动物细胞中的应用,选用一株基因组上被插入mCherry基因的小鼠胚胎成纤维细胞为实验材料,命名为STO-82。首先设计靶向mCherry的sgRNA,构建CRISPR-Cas9/sgRNA共表达质粒。经测序验证无误后,转染到STO-82细胞。采用流式细胞仪分析检测mCherry阴性和阳性两群细胞,分选出阴性单细胞并扩大培养。最后用测序检验单克隆细胞中靶标DNA序列的编辑情况。结果显示,靶位点有插入或缺失突变,说明体系创建成功。该实验体系将sgRNA设计、CRISPR-Cas9/sgRNA共表达质粒的构建、细胞转染、单细胞分选、单克隆细胞培养、测序序列分析等内容融合为一个综合实验,用于高年级本科生的实验教学。根据实际情况,将教学实践内容分解分块教学,也可以做完整性项目教学。本教学实践采用10人左右的小班分块教学,2人一组,经过3个班（共13组）的实践,绝大部分学生都能完成实验,得到预期结果。通过这个实验,学生加深了对CRISPR/Cas9技术的原理和实验流程的理解,锻炼了实验操作能力和严谨的科研思维,也使学生对该技术的医疗应用风险有了一些认识。     

洋葱花粉母细胞细胞内、细胞间微染骨架的超微结构观察

以洋葱（Allium cepa L.）花粉母细胞为材料,采用DGD包埋去包埋原位技术,对花粉母细胞不同发育时期的细胞内、细胞间微染骨架的超微结构进行了电镜观察。结果发现,花粉母细胞核内存在的粗细不等的微染骨架,与核仁和染色体紧密相连,随着发育的推移,其均一性发生改变。在核周有核纤层样的结构存在,与细胞核和胞质中的微染骨架紧密相连,到前期结束时解体。洋葱花粉母细胞内具有发达的胞质微染骨架,这种结构在减数分裂前期Ⅰ变化不明显。在胞间连接（胞间连丝和胞质通道）内,也有精细的微染骨架分布,并且与两端细胞中的骨架相连。在凝线期的花粉母细胞中观察到细胞融合现象,有胞质或核内微梁骨架与穿壁转移的胞质小球和核小球内骨架相连。此时细胞核偏向一边,但细胞的基余部位仍充满了胞质微染骨架,初步探讨了核微染骨架与核仁和染色体之间的关系,核纤层与细胞核之间的关系。以及细胞内、细胞间微染骨架与细胞融合之间的关系。     

枸杞体细胞胚发生中Ca^2＋和ATPase的超微结构定位研究

研究2,4-D诱导枸杞体细胞胚发生中的作用及其与Ca^2 含量和ATPase活性时空分布动态之间的关系,以探讨2,4-D诱导植物体细胞胚发生的作用机理。采用超微细胞化学定位的方法,跟踪分析了体细胞胚发生与发育的不同时期,Ca^2 和ATPase活性的时空分布动态。结果表明：2,4-D是诱导离体培养的枸杞体细胞进入胚胎状态的关键激素。在含有2,4-D和不含2,4-D的培养条件下,分别诱导枸杞体细胞脱分化后,再转入除去2,4-D的MS培养基上,进行分化培养,结果前者可分化形成体细胞胚,因而称为胚性愈伤组织。后者在相同条件却不能分化形成胚,故称为非胚性愈伤组织。在2,4-D诱导枸杞的胚性愈伤组织中,胚性细胞分化早期的细胞间隙和细胞壁上均有Ca^2 沉淀。随着胚性细胞的分化、分裂和多细胞原胚形成,这时Ca^2 在细胞内的分布主要集中在细胞膜和液泡膜上;球形胚期在细胞核中Ca^2 呈弥散性分布。在此过程中,ATPase活性时空分布与Ca^2 的定位变化具有高度一致性,仅仅稍滞后于Ca^2 出现的时间。而在胚性细胞分化早期,ATPase活性同样位于质膜上,随后在液泡和细胞核都可见ATPase活性分布。而在非胚性愈伤组织中,则未见Ca^2 和ATPase活性呈时空动态分布,而且随着非胚性细胞的液泡化,无论是Ca^2 含量,还是ATPase活性都呈逐渐降低的趋势。表明Ca^2 和ATPase活性变化与2,4-D诱导的胚性细胞分化和发育密切相关。并由此推测,Ca^2 和ATPase的时空分布对胚性细胞分化中的信息传递和调控相关基因表达起着关键性作用。     

利用RNA干扰技术沉默基因表达在本科实验教学中的设计与实践

RNA干扰是由双链小RNA介导的基因沉默现象,已成为一个被广泛应用的反向遗传学研究技术。为了让学生更好地理解该技术,本实验教学让学生自己选择靶基因,设计小干扰RNA和引物,然后检测小干扰RNA介导的基因沉默效果。以2018年第五组为例,该组挑选了小鼠长链脂酰辅酶A合成酶1 (acyl-CoA synthetase long-chain family member 1, Acsl1)为靶基因,设计了两对特异性靶向Acsl1 mRNA的小干扰RNA,通过电穿孔的方式将其转染到3T3-L1中,然后提取细胞总RNA和合成cDNA,最后用相对定量PCR检测mRNA的表达量。结果显示两对小干扰RNA都有60%以上的沉默效果。近3年内,大约83%的学生都能独立完成所有实验并最终成功筛选到至少一对有效的小干扰RNA。该教学实践增强了学生对RNA干扰原理和实验的理解,锻炼了学生的实验与科研能力。     

细胞分化模型在细胞生物学实验教学中的应用与实践

生命活动包括细胞分化、生长、衰老、死亡等一系列变化,是一个连续发展的过程,而在当前的细胞生物学实验教学中,针对独立、单个知识点的实验设计仍占多数,这不利于学生系统、有机地理解生命现象。该研究以U-937细胞分化过程为对象,设计了3个相互联系的实验,分别为:(1)分化对细胞形态影响的观察;(2)分化对细胞周期影响的观察;(3)分化对细胞吞噬功能影响的观察。通过对实验结果的观察,学生发现分化后,(1)细胞由悬浮生长转变为贴壁生长,细胞形态由圆形变为不规则多边形,并伸出伪足;(2)细胞周期则会发生G1/S期阻滞,停留在G1期;(3)分化后的细胞对细菌的吞噬能力明显增强。该教学设计巧妙地将3个知识点有机整合在一起,旨在通过细胞分化这一生命现象,让学生深入理解细胞在发育成熟过程中形态学、分裂增殖及吞噬功能的变化,帮助学生充分理解生命活动是动态发展这一本质,且能很好地培养学生全面思考、分析及解决问题的能力,进而提升学生对教学实验的兴趣,发挥学习的主观能动性。     

枸杞体细胞胚发生中Ca2+和ATPase的超微结构定位研究

研究2,4-D诱导枸杞体细胞胚发生中的作用及其与Ca~(2+)含量和ATPase活性时空分布动态之间的关系,以探讨2,4-D诱导植物体细胞胚发生的作用机理。采用超微细胞化学定位的方法,跟踪分析了体细胞胚发生与发育的不同时期,Ca~(2+)和ATPase活性的时空分布动态。结果表明:2,4-D是诱导离体培养的枸杞体细胞进入胚胎状态的关键激素。在含有2,4-D和不含2,4-D的培养条件下,分别诱导枸杞体细胞脱分化后,再转入除去2,4-D的MS培养基上,进行分化培养,结果前者可分化形成体细胞胚,因而称为胚性愈伤组织。后者在相同条件却不能分化形成胚,故称为非胚性愈伤组织。在2,4-D诱导枸杞的胚性愈伤组织中,胚性细胞分化早期的细胞间隙和细胞壁上均有Ca~(2+)沉淀。随着胚性细胞的分化、分裂和多细胞原胚形成,这时Ca~(2+)在细胞内的分布主要集中在细胞膜和液泡膜上;球形胚期在细胞核中Ca~(2+)呈弥散性分布。在此过程中,ATPase活性时空分布与Ca~(2+)的定位变化具有高度一致性,仅仅稍滞后于Ca~(2+)出现的时间。而在胚性细胞分化早期,ATPase活性同样位于质膜上,随后在液泡和细胞核都可见ATPase活性分布。而在非胚性愈伤组织中,则未见Ca~(2+)和ATPase活性呈时空动态分布,而且随着非胚性细胞的液泡化,无论是Ca~(2+)含量,还是ATPase活性都呈逐渐降低的趋势。表明Ca~(2+)和ATPase活性变化与2,4-D诱导的胚性细胞分化和发育密切相关。并由此推测,Ca~(2+)和ATPase的时空分布对胚性细胞分化中的信息传递和调控相关基因表达起着关键性作用。     

枸杞体细胞胚发生中外源Ca2+的作用

脱分化的枸杞叶片外植体愈伤组织转入含有2,4-D的MS培养基上分化培养后有大量胚性细胞的分化和体细胞胚发生;加入一定量的外源Ca2 或45Ca2 ,明显地提高了胚性愈伤组织中体细胞胚发生的频率;加入Ca2 的鳌合剂EGTA则显著降低了体细胞胚发生频率;胚性愈伤组织中CaM的水平在多细胞原胚期和球形胚期显著升高,加入外源Ca2 后CaM含量几乎成倍增加;胚性愈伤组织中蛋白质组分与活性都远远多于或高于非胚性愈伤组织,加Ca2 后蛋白质组分种类也增加.     

洋葱花粉母细胞细胞内、细胞间微梁骨架的超微结构观察(英文)

以洋葱(AlliumcepaL.)花粉母细胞为材料,采用DGD包埋去包埋原位技术,对花粉母细胞不同发育时期的细胞内、细胞间微梁骨架的超微结构进行了电镜观察。结果发现,花粉母细胞核内存在粗细不等的微梁骨架,与核仁和染色体紧密相连,随着发育的推移,其均一性发生改变。在核周有核纤层样的结构存在,与细胞核和胞质中的微梁骨架紧密相连,到前期结束时解体。洋葱花粉母细胞内具有发达的胞质微梁骨架,这种结构在减数分裂前期Ⅰ变化不明显。在胞间连接(胞间连丝和胞质通道)内,也有精细的微梁骨架分布,并且与两端细胞中的骨架相连。在凝线期的花粉母细胞中观察到细胞融合现象,有胞质或核内微梁骨架与穿壁转移的胞质小球和核小球内骨架相连。此时细胞核偏向一边,但细胞的其余部位仍充满了胞质微梁骨架。初步探讨了核微梁骨架与核仁和染色体之间的关系,核纤层与细胞核之间的关系,以及细胞内、细胞间微梁骨架与细胞融合之间的关系     

吞蛋白A2在非网格蛋白内吞中的作用研究进展

内吞作用是细胞从细胞外空间和内化横跨膜的细胞表面蛋白转运物质到细胞内的过程.吞蛋白(endophilin)一直被认为参与了网格蛋白介导的细胞内吞作用,2015年《自然》(Nature)发表的两篇研究论文报道了一种由endophilin A标记和控制的独立于网格蛋白的有被囊泡内吞作用.本文主要综述近年来endophilin A2的研究,着重介绍endophilin A2在非网格蛋白介导的内吞作用中的功能和机制.