水稻靶标基因单碱基定向替换技术的建立

目前CRISPR/Cas9技术作为一种基因组定点编辑技术已经被广泛应用于不同植物中,但是对于实现特定碱基替换仍具有很大难度.本研究将APOBEC1和UGI与Cas9n融合,开发了一种包含rBE3和rBE4的高效技术,并通过该技术对OsSERK1,OsSERK2,ipa1,pi-ta和OsBRI1等基因的靶位点碱基进行编辑.在T0代转基因植物中rBE3/sgRNA将胞嘧啶碱基转换为所有其他核苷酸碱基中效率高达38.9%;利用rBE4还获得了抗稻瘟基因pi-ta的隐性等位基因靶位点胞嘧啶碱基替换为胸腺嘧啶碱基,编辑效率达18.2%.此外,在所检测的材料中,并未检测到由Cas9n切口酶引起的InDel事件.这些结果表明,rBE3和rBE4技术的开发,在未来植物基础研究和农业应用中具有广阔的前景.     

RNA介导的病毒抗性在转基因烟草中的遗传分析

以含非翻译马铃薯Y病毒外壳蛋白(PVY—MCP)基因的抗病和感病T0代转基因烟草为材料,对转基因及RNA介导的病毒抗性在T1～T4代转基因植株中的遗传进行了研究。结果表明,在含低拷贝(1～2个)转基因的感病植株后代中,转基因是作为一个单显性遗传位点,遵循孟德尔遗传分离规律,各世代转基因植株仍表现感病。含多拷贝(4～6个)转基因的抗病植株,转基因在T1代的分离虽符合多位点插入的15：1和63：1遗传规律,但转基因发生了重排,RNA介导的病毒抗性表现为不稳定遗传。从含多拷贝转基因的抗病植株的T1代株系中,分离获得了两株含2个拷贝转基因的抗病植株;其后代中,转基因及抗性遗传遵循孟德尔遗传分离规律,可稳定遗传和表达,获得纯合的抗病转基因株系。对转基因在不同抗病类型植株中整合方式分析显示,抗病植株中多存在转基因的反向串联重复序列。     

AID介导的原位靶点突变——哺乳动物DNA碱基编辑新技术

单核苷酸的多样性是遗传多样性的主要来源,是人类个体差异的重要遗传学基础,同时也是分子进化的动力和很多疾病的直接诱因。然而,在哺乳动物中,仍然缺乏有效诱导单核苷酸的突变的工具,无法通过实验高效和高通量地研究单核苷酸突变的功能。现有的大部分实验技术只能扰乱基因的功能或者表达,造成基因功能缺失,对诱导新功能的获得无能为力。而利用靶向性胞嘧啶脱氨酶介导的碱基编辑(targeted AID-mediated mutagenesis,TAM)技术,可以在sg RNA靶向的基因组DNA上,将胞嘧啶和鸟嘌呤随机地向其他三个碱基转变,因而产生海量的突变体,结合遗传筛选,从而分析单核苷酸突变的功能或诱导蛋白质的体内进化。同时,在一种多肽抑制剂(uracil glycosylase inhibitor,UGI)的辅助下,TAM可以诱导特定的胞嘧啶向胸腺嘧啶转变,实现单碱基的精确编辑,为治疗单核苷酸突变诱导的遗传病提供方案。利用这项技术,已经在慢性骨髓瘤细胞中,成功筛选出已报道的以及新的Imatinib耐药性位点。因此,作为高效的哺乳动物DNA碱基编辑新技术,TAM可以广泛应用于蛋白质工程、分子遗传学研究和基因治疗等领域。     

中国科学家发现胞嘧啶单碱基编辑工具存在 基因组范围的脱靶

基于CRISPR-Cas的单碱基编辑工具是近2年基因组编辑技术的重大突破之一, 已经在人类(Homo sapiens)细胞和动植物中得到了验证与应用。最近, 中国科学家分析了胞嘧啶编辑器(CBE) BE3和HF1-BE3, 以及腺嘌呤编辑器(ABE)等单碱基编辑工具在水稻(Oryza sativa)中的脱靶现象, 发现BE3和HF1-BE3两个CBE在全基因组范围内存在脱靶编辑, 而ABE则没有脱靶现象。这一发现对单碱基编辑工具的应用和进一步改进具有重要意义。     

中国科学家发现胞嘧啶单碱基编辑工具存在 基因组范围的脱靶

基于CRISPR-Cas的单碱基编辑工具是近2年基因组编辑技术的重大突破之一, 已经在人类(Homo sapiens)细胞和动植物中得到了验证与应用。最近, 中国科学家分析了胞嘧啶编辑器(CBE) BE3和HF1-BE3, 以及腺嘌呤编辑器(ABE)等单碱基编辑工具在水稻(Oryza sativa)中的脱靶现象, 发现BE3和HF1-BE3两个CBE在全基因组范围内存在脱靶编辑, 而ABE则没有脱靶现象。这一发现对单碱基编辑工具的应用和进一步改进具有重要意义。     

菰黑粉菌T-DNA突变体库的构建及分析

通过建立适用于菰黑粉菌Ustilago esculenta的农杆菌介导遗传转化(Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation,ATMT)体系,构建菰黑粉菌T-DNA插入突变体库。针对性地筛选双核菌丝形成缺陷型转化子,并对T-DNA插入位点进行分析,为研究菰黑粉菌二态型转换的分子调控机理打下基础。以构建的菰黑粉菌自融合菌株TSP为出发菌株,以含有遗传霉素(G418)抗性基因(neo)的质粒为载体,通过ATMT构建菰黑粉菌T-DNA突变体库,并对诱导剂乙酰丁香酮(AS)浓度、转化的共培养时间、农杆菌浓度和菰黑粉菌芽孢子浓度等建库影响因素进行单因素条件试验,筛选最优条件;对继代培养的转化子基因组中的遗传霉素抗性基因进行PCR检测,验证转化子遗传稳定性;对突变体库中的转化子双核菌丝生长情况进行观察,测定其双核菌丝形成能力;对上述双核菌丝形成缺陷型转化子进行基因组重测序,分析其T-DNA插入位点。当遗传霉素浓度为75μg/mL时,菰黑粉菌的生长被完全抑制。当AS浓度为100μg/mL、共培养时间为24 h、孢子浓度为1×10⁵     

低能N+辐照拟南芥诱导基因组DNA碱基变异分析

用低能N+离子束注入拟南芥后获得的稳定突变体T80Ⅱ作为实验材料, 对突变体植株进行了RAPD标记, 并将T80Ⅱ和对照部分RAPD特异条带进行克隆测序和DNA序列分析. 结果显示, 在可分辨的总计397个RAPD条带中, T80Ⅱ株系中有52个条带表现出差异, 包括条带的缺失和增加, 条带变异率为13.1%; 克隆的T80Ⅱ序列中, 平均每16.8个碱基出现1个碱基变异位点, 表现出较高频率的碱基突变. 碱基突变类型包括碱基的颠换、转换、缺失、插入等. 在检测到的275个碱基突变中, 主要是单碱基置换(97.09%), 碱基缺失或者插入的比例较小(2.91%). 在碱基置换中, 转换的频率(66.55%)高于颠换的频率(30.55%). 此外, 构成DNA的4种碱基均可以被离子束辐照诱发变异, 而且每一种碱基都可以被其他3种碱基所替换, 但是胸腺嘧啶(T)的辐射敏感性要高于其他3种碱基. 通过分析突变碱基周边序列, 对低能N+离子注入拟南芥突变体引发的碱基突变热点进行了讨论.     

转不可翻译PVY^N CP基因烟草的抗病性分析

我们曾报道表达不可翻译PVY^N CP基因的转基因烟草抗病性是由RNA介导的,其抗病性类似于转录后的基因沉默(PTGS)。本研究以这类不同抗性的T0代转基因烟草植株为材料,对自交后的T1代转基因植株的遗传和抗病性进行了分析,并选取部分T1代抗病株系自交留种。对T2代RNA介导抗病性转基因植株进行了分子分析和一系列抗病性研究。结果表明,含1—2个转基因拷贝的T0代感病植株,在T1代中的Km抗性分离符合单位点插入的3：1的遗传规律;含3个或3个以上转基因拷贝的T0代中抗或高抗植株,在T1代中的Km抗性分离符合多位点插入的15：1或63：1的遗传规律。大多数T1、T2代转基因植株的抗病性与转基因拷贝数成正相关,转基因在T1、T2代植株中能够转录表达,且转基因植株之间转基因mRNA在细胞质中的积累水平与转基因植株的抗病性成负相关。转基因植株的抗病性能够在T1、T2代中遗传,且T2代转基因植株的抗病性具有以下特征：1)既抗病毒粒体又抗病毒RNA的侵染,且这种抗病性不受接种物剂量的影响;2)抗病谱较窄,只对PVY的某些株系具有高度抗病性;3)与传毒方式无关,既抗摩擦接种又抗带毒蚜虫接种;4)与植株的发育阶段没有关系。     

陆生植物叶绿体RNA编辑进化分析

RNA编辑现象存在于除地钱外的所有陆生植物中。对非维管植物(角苔、苔藓)和维管植物(蕨类、双子叶植物)中1 514个C-U RNA编辑位点从氨基酸转移概率、密码子转移概率、编辑位点在密码子中的位置、编辑位点-1位置碱基出现频率以及编辑位点+1位置碱基出现频率5个方面进行分析发现,双子叶植物叶绿体RNA编辑在密码子转移方面与其他陆生植物类群存在显著差异。     

水稻谷氨酰半胱氨酸合成酶基因的结构和表达分析

利用该实验室T-DNA标签的编号为L395的水稻突变体,克隆了一个编码水稻谷胱苷肽(GSH)合成途径中关键酶即谷氨酰半胱氨酸合成酶(GCs)的基因,将其命名为OsGCS(Genbank accession No.AJ508915).该基因位于水稻第五染色体上,OsGCS基因含有15个外显子和14个内含子,编码492个氨基酸.该基因与拟南芥的GCS基因相比较,编码区域同源性较高,而启动子区域的序列没有显著的相似性.通过RT-PCR的方法确定OsGCS基因的转录起始位点可能位于翻译起始位点(ATG)上游211bp处.在L395突变体中,T-DNA是单拷贝形式插入在OsGCS基因的第二内含子和外显子连接处,并且造成了3个碱基的缺失.在重金属耐受性、OsGCS基因表达以及体内GsH含量方面突变体L395和对照中花11之间没有明显的差别.     

Potential high-frequency off-target mutagenesis induced by CRISPR/Cas9 in <Emphasis Type="Italic">Arabidopsis</Emphasis> and its prevention

Key message

We present novel observations of high-specificity SpCas9 variants, sgRNA expression strategies based on mutant sgRNA scaffold and tRNA processing system, and CRISPR/Cas9-mediated T-DNA integrations.

Abstract

Specificity of CRISPR/Cas9 tools has been a major concern along with the reports of their successful applications. We report unexpected observations of high frequency off-target mutagenesis induced by CRISPR/Cas9 in T1 Arabidopsis mutants although the sgRNA was predicted to have a high specificity score. We also present evidence that the off-target effects were further exacerbated in the T2 progeny. To prevent the off-target effects, we tested and optimized two strategies in Arabidopsis, including introduction of a mCherry cassette for a simple and reliable isolation of Cas9-free mutants and the use of highly specific mutant SpCas9 variants. Optimization of the mCherry vectors and subsequent validation found that fusion of tRNA with the mutant rather than the original sgRNA scaffold significantly improves editing efficiency. We then examined the editing efficiency of eight high-specificity SpCas9 variants in combination with the improved tRNA-sgRNA fusion strategy. Our results suggest that highly specific SpCas9 variants require a higher level of expression than their wild-type counterpart to maintain high editing efficiency. Additionally, we demonstrate that T-DNA can be inserted into the cleavage sites of CRISPR/Cas9 targets with high frequency. Altogether, our results suggest that in plants, continuous attention should be paid to off-target effects induced by CRISPR/Cas9 in current and subsequent generations, and that the tools optimized in this report will be useful in improving genome editing efficiency and specificity in plants and other organisms.

     

BEguider:一个单碱基编辑器sgRNA设计与编辑效率预测工具

单碱基编辑器是实用且高效的基因编辑工具,其编辑效率与单向导RNA(single guide RNA, sgRNA)序列的设计密切相关。目前单碱基编辑器sgRNA序列的设计缺少特定的法则,主要依靠经验和大量尝试完成。本研究基于卷积神经网络,开发了一个单碱基编辑器sgRNA序列设计工具BEguider。BEguider利用TensorFlow 2深度学习框架建立编辑效率预测模型,能够在人基因组范围内针对NGG PAM序列依赖的单碱基编辑器ABE7.10-NGG和BE4-NGG批量设计sgRNA序列,预测编辑效率。此外,通过整合Cas-OFFinder, BEguider能够提供对sgRNA脱靶情况的评估。利用BEguider设计sgRNA序列,有助于研究人员提高实验效率,节约实验成本。     

CRISPR/Sc++-mediated genome editing in rice

Streptococcus canis Cas9 (ScCas9) is an RNA-guided endonuclease with NNG protospacer adjacent motif (PAM) specificity whose genome-editing activity in rice is locus-dependent. Here we investigated the performance of a ScCas9 variant named Sc⁺⁺ at different NNG PAM sites in the rice genome; Sc⁺⁺ harbors a T1227K mutation and the substitution of a positively charged loop (residues 367–376). Sc⁺⁺ nuclease achieved broader genome editing compared to the original ScCas9, and its nickase improved targeted base editing in transgenic rice plants. Using the high-efficiency adenine base editor rBE73b, we generated many new OsGS1 alleles suitable for screening of rice germplasm for potential herbicide resistance in the future. The CRISPR/Sc⁺⁺ system expands the genome-editing toolkit for rice.     

Development of broad virus resistance in non‐transgenic cucumber using CRISPR/Cas9 technology

Genome editing in plants has been boosted tremendously by the development of CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) technology. This powerful tool allows substantial improvement in plant traits in addition to those provided by classical breeding. Here, we demonstrate the development of virus resistance in cucumber (Cucumis sativus L.) using Cas9/subgenomic RNA (sgRNA) technology to disrupt the function of the recessive eIF4E (eukaryotic translation initiation factor 4E) gene. Cas9/sgRNA constructs were targeted to the N′ and C′ termini of the eIF4E gene. Small deletions and single nucleotide polymorphisms (SNPs) were observed in the eIF4E gene targeted sites of transformed T1 generation cucumber plants, but not in putative off‐target sites. Non‐transgenic heterozygous eif4e mutant plants were selected for the production of non‐transgenic homozygous T3 generation plants. Homozygous T3 progeny following Cas9/sgRNA that had been targeted to both eif4e sites exhibited immunity to Cucumber vein yellowing virus (Ipomovirus) infection and resistance to the potyviruses Zucchini yellow mosaic virus and Papaya ring spot mosaic virus‐W. In contrast, heterozygous mutant and non‐mutant plants were highly susceptible to these viruses. For the first time, virus resistance has been developed in cucumber, non‐transgenically, not visibly affecting plant development and without long‐term backcrossing, via a new technology that can be expected to be applicable to a wide range of crop plants.     

CRISPR/Cas9系统中sgRNA设计与脱靶效应评估

基于CRISPR/Cas9系统介导的第三代基因组编辑技术,已成功应用于动物、植物和微生物等诸多物种的基因组改造。如何提高CRISPR/Cas9技术的基因组编辑效率和最大限度降低脱靶风险一直是本领域的研究热点,而使用高效且特异的sgRNA(Small guide RNA)是基因组改造成功的关键性因素之一。目前,已有多款针对CRISPR/Cas9技术的sgRNA设计和/或脱靶效应评估软件,但不同的软件各有优缺点。本文重点对16款sgRNA 设计和脱靶效应评估在线和单机版软件的特点进行了阐述,通过制定38项评估指标对不同软件进行了比较分析,最后对11种用于检测基因组编辑效率和脱靶的实验方法,以及如何筛选高效且特异的sgRNA进行了归纳总结。     

Large chromosomal deletions and heritable small genetic changes induced by CRISPR/Cas9 in rice

The Cas9/sgRNA of the CRISPR/Cas system has emerged as a robust technology for targeted gene editing in various organisms, including plants, where Cas9/sgRNA-mediated small deletions/insertions at single cleavage sites have been reported in transient and stable transformations, although genetic transmission of edits has been reported only in Arabidopsis and rice. Large chromosomal excision between two remote nuclease-targeted loci has been reported only in a few non-plant species. Here we report in rice Cas9/sgRNA-induced large chromosomal segment deletions, the inheritance of genome edits in multiple generations and construction of a set of facile vectors for high-efficiency, multiplex gene targeting. Four sugar efflux transporter genes were modified in rice at high efficiency; the most efficient system yielding 87–100% editing in T0 transgenic plants, all with di-allelic edits. Furthermore, genetic crosses segregating Cas9/sgRNA transgenes away from edited genes yielded several genome-edited but transgene-free rice plants. We also demonstrated proof-of-efficiency of Cas9/sgRNAs in producing large chromosomal deletions (115–245 kb) involving three different clusters of genes in rice protoplasts and verification of deletions of two clusters in regenerated T0 generation plants. Together, these data demonstrate the power of our Cas9/sgRNA platform for targeted gene/genome editing in rice and other crops, enabling both basic research and agricultural applications.     

sgRNAcas9软件图形用户界面开发及应用

CRISPR/Cas9系统介导的基因组编辑技术是新一代功能强大的基因修饰技术。然而,脱靶效应(Off-target effects)是目前CRISPR/Cas9技术面临的最大问题。因此,设计脱靶风险低的sgRNA(single guide RNA)就成为关键。sgRNAcas9是一款专门用于sgRNA设计和评估脱靶效应的软件包。针对其核心运行程序,我们利用Java程序语言开发了其图形用户界面。此外,依据脱靶位点碱基数和sgRNA种子序列(seed sequences)的特异性,通过设置不同的风险等级对sgRNA的脱靶效应进行评估。随后,利用此软件设计了34 124条靶向人、小鼠、大鼠、猪和鸡中共4691个microRNA(miRNA)前体的sgRNAs。此外,随机挑选了一个靶向人miR-206前体的sgRNA进行脱靶效应评估和验证。结果发现,sgRNAcas9软件人机交互界面友好,大多数miRNA前体可通过该软件寻找到sgRNA,且他们的GC%含量范围集中于40%~60%。利用sgRNAcas9软件设计的靶向miR-206的sgRNA,其基因组编辑活性和脱靶位点可被实验验证。本研究表明sgRNAcas9图形用户界面软件能针对任意物种设计特异性的sgRNA,其可在BiooTools(http://www.biootools.com/)网站下载。     

利用dCas9-FokI编辑大鼠Dnmt1基因

CRISPR/Cas9的发现为多种生物的基因编辑提供了强有力的工具。然而,该系统在提供靶向性基因修饰的同时,会产生一些不需要的突变,即脱靶现象。为提高CRISPR/Cas9的特异性,我们将野生型FokI核酸内切酶的功能结构域与催化功能区失活的Cas9蛋白(dCas9)进行融合,形成融合蛋白用于降低脱靶效应。FokⅠ是一种依赖于二聚化才能行使内切酶活性的核酸酶,在本研究中,通过将FokⅠ功能结构融合到dCas9的N端,构建表达质粒pST1374-dCas9-FokⅠ。我们前期研究中,发现一个sgRNA在介导Cas9编辑Dnmt1基因建立条件敲除大鼠时,存在显著的脱靶现象。以此为基础,我们利用dCas9-FokⅠ/sgRNA系统编辑大鼠Dnmt1基因,研究该系统是否能够进行基因编辑以及是否能够提高基因编辑特异性。将转录好的dCas9-FokⅠ mRNA和sgRNA显微注射到SD大鼠的受精卵中,用于产生基因编辑大鼠。通过显微注射以及胚胎移植,最终获得43只F0代大鼠,其中两只在靶点位置包含突变,突变效率达4.5%。对脱靶情况进行分析,结果显示,无脱靶现象存在。综上,表明dCas9-FokⅠ/sgRNA可以应用于编辑大鼠基因,并能显著提高特异性。尽管dCas9-FokⅠ/sgRNA系统相比于Cas9/sgRNA系统,基因编辑效率有所下降,但是该技术的发展为基因治疗提供了可供选择的潜在工具。     

基于结构的CRISPR蛋白xCas9的优化设计

酿脓链球菌 (Streptococcus pyogenes Cas9,SpCas9) 已成为强大的基因组编辑工具,但其可识别的前间隔序列临近基序 (Protospacer adjacent motifs,PAMs) 范围有限,且存在脱靶效应。为解决这些问题,文中提出一种对SpCas9的定向进化突变体xCas9进行优化的理性方法。首先,使用Rosetta程序进行能量最小化以优化Cas9的三维结构,获得其能量最低的构象;然后,对其定向进化所得氨基酸位点进行组合突变设计;最后,通过自由能排序从设计突变体中筛选出用于实验验证的最优变体。经DNA剪切实验验证,成功地获得了一个多PAM识别和低脱靶的新变体yCas9 (262A/324R/409N/480K/543D/694L/1219T)。该变体可识别NG、GAA和GAT序列,且其由错配sgRNA引导的脱靶DNA剪切活性低,为生物医学领域提供了一个有潜在应用价值的基因编辑工具。同时,文中还对SpCas9、xCas9和yCas9进行了分子动力学模拟,揭示了其PAM识别和脱靶效应的机理,可为进一步的CRISPR/Cas9蛋白优化改造提供理论指导。