靶向基因编辑技术在秀丽隐杆线虫中的应用

遗传突变体和转基因是生物学研究的基础,是揭示生物体内各个基因相互作用的生物学研究对象.秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)是遗传学研究的模式生物,如何有效地诱导特定基因发生突变和构建转基因线虫品系是秀丽线虫遗传学研究的两个重要方面.近些年来,靶向基因编辑技术迅速发展,使得科研人员可以在秀丽线虫中快速而高效地编辑特定基因.本文就线虫中靶向基因编辑的方法,特别是CRISPR/Cas9技术,以及目的线虫品系的筛选进行了综述.     

基于人工核酸酶的遗传修饰技术在线虫中的应用

近年来,基于人工核酸酶TALEN或CRISPR-Cas9的遗传编辑技术表现出高效、快捷和靶向性修饰等特点,已迅速成为生物学研究中的重要手段。在经典的遗传学模式动物线虫中,这两项技术的应用主要包括:生殖腺基因敲除、条件性基因敲除、定点突变以及单拷贝基因插入等。将介绍这方面研究进展,并展望这两项技术在线虫遗传学研究中的应用前景。     

CRISPR/Cas9基因编辑技术在线虫中的应用进展和展望

线虫属于线虫动物门,从陆地到海洋,从浅海到深海,线虫可以生存于几乎所有可栖息环境,是地球上数量最多的多细胞动物.线虫中不仅有生物医学研究领域的明星模式生物秀丽线虫(Caenorhabditis elegans),还包括对海洋生态环境具有重要意义的自由生活海洋线虫,以及引起人类、牲畜和农作物寄生虫病的寄生线虫等.近几年来,CRISPR/Cas9基因编辑技术的快速发展和广泛应用,带动了生命科学研究技术的革命.CRISPR/Cas9技术具有易构建、成本低、靶点广、效率高的优点,很快就成为了研究者不可缺少的实验工具.利用CRISPR/Cas9基因编辑技术研究线虫领域的重要科学问题,将加速人们对基因功能和重要生命过程规律的深入解析,并大大促进与线虫紧密关联的人类健康、产业经济和生态环境等领域的发展.本文总结了近期CRISPR/Cas9基因编辑技术在秀丽线虫以及其他线虫中应用的一些重要进展,并对其应用前景和未来的热点研究领域进行展望.     

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。     

秀丽隐杆线虫在高校遗传学实验中的应用

秀丽隐杆线虫(Caenorhabditiselegans)是模式生物中的重要成员之一,因其实验成本低,实验周期短,非常适宜用于高校的遗传学实验教学中。线虫在实验教学中的使用,一方面可以有效地丰富高校实验教学的内容,另一方面也可以很好地激发学生的学习兴趣。本文介绍了线虫在遗传学实验教学中的应用实例,如生活周期观察、单因子杂交、单核苷酸多态性研究、RNA干扰(RNAi)实验等;对实验设置、操作要求、实验相关准备工作等进行了较为细致的描述,为线虫在高校遗传学实验教学中的应用提供了详实案例,可为线虫在高校遗传学实验或其他相关实验课程如细胞生物学实验、模式生物与发育生物学实验中的应用提供参考。     

来自细菌的魔剪：2020年诺贝尔化学奖

CRISPR-Cas系统是在原核微生物中广泛存在的抵抗病毒(或质粒)入侵的防御系统。基于CRISPR-Cas9系统发展的基因组编辑工具可以方便快捷地实现对生物体内基因组的精确编辑,如突变基因的修复、有益基因的强化和有害基因的删除等,已在生命科学基础研究、经济物种遗传改良和人类医药健康等领域获得广泛应用,其主要发明人Emmanuelle Charpentier和Jennifer A. Doudna教授于2020年荣获诺贝尔化学奖。CRISPR-Cas9基因组编辑技术在深刻改变生命科学与医学领域研究范式的同时,也提示丰富多彩的微生物资源依然是颠覆性生物技术创新的源泉,微生物前沿基础研究具有极其重要的战略意义。     

CRISPR⁃Cas9技术在植物次生代谢物生产中的研究进展

基因编辑（gene editing）技术可以对目的基因进行定点插入、敲除和置换。基于CRISPR-Cas9的基因编辑技术是继锌指核酸酶和转录激活样效应物核酸酶之后的第3代基因编辑技术。近年来,CRISPR-Cas9系统作为研究的热点被广泛应用于医学、药学、植物学、动物学和微生物学等领域,但其在植物次生代谢物领域的应用还处于探索时期。阐述了基于CRISPR-Cas9基因编辑技术的发展历程、工作原理和几种常用的基因编辑方法及其应用实例,总结了CRISPR-Cas9技术在对植物次生代谢产物研究方面的应用。利用CRISPR-Cas9系统可对植物基因组进行定点敲除、突变和插入,以达到提高植物次生代谢物含量、改良作物品质和提高植物抗性等目的。该技术已在植物次生代谢物生物合成关键酶基因的编辑等方面显示出越来越重要的作用。     

基于CRISPR-Cas9的功能基因筛选研究进展

功能性基因的筛选是探索生物进程、研究疾病发生发展和诠释基因功能的重要方法,在生物、医药、新治疗靶点筛选及肿瘤耐药等方面有广泛的应用。CRISPR-Cas9(Clustered regularly interspaced short palindromic repeat sequences/CRISPR-associated protein 9)技术作为近期热门的基因编辑工具,能够高通量地对基因组进行精准修饰,为实现功能性基因的筛选提供了简便高效的技术支持。文中对CRISPR-cas9技术应用于功能性基因筛选的方法及研究进展进行了综述。     

CRISPR-Cas9系统的基因编辑工具的应用和改进

基因编辑技术可以实现对特定目的基因的编辑,加速了基因功能的研究、疾病的研究与治疗、药物的开发等,是生命科学的重要研究手段。基于CRISPR-Cas9系统的基因编辑工具可改变基因特定位点的序列、调控基因表达水平、敲除基因、改变特定位点表观遗传修饰以及活细胞成像等,成功应用于多种动植细胞系和模式生物。本文就基于Cas9的基因编辑工具的现状和相关改进展开综述。     

秀丽隐杆线虫体内脂肪染色方法的探究

近几十年来,秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)因其结构简单、通体透明、生命周期短和易于培养,常作为一种模式生物被广泛用于现代发育生物学、遗传学、抗衰老和及脂肪调控等方面的研究。本文探索了一种对秀丽隐杆线虫体内脂肪的油红O染色方法,利用1%Triton X-100的透过作用,线虫体内脂滴可被油红O更好的着色,镜下观察颜色鲜红,染色效果较好,为以后研究线虫脂肪调控奠定了基础。     

The Application of CRISPR-Cas9 Genome Editing in Caenorhabditis elegans

Genome editing using the Cas9 endonuclease of Streptococcus pyogenes has demonstrated unparalleled efficacy and facility for mo fying genomes in a wide variety of organisms. Caenorhabditis elegans is one of the most convenient multicellular organisms for gene analysis, and the application of this novel genome editing technique to this organism promises to revolutionize analysis of gene funct in the future. CRISPR-Cas9 has been successfully used to generate imprecise insertions and deletions via non-homologous end-join mechanisms and to create precise mutations by homology-directed repair from donor templates. Key variables are the methods used deliver the Cas9 endonuclease and the efficiency of the single guide RNAs. CRISPR-Cas9-mediated editing appears to be highly spec in C. elegans, with no reported off-target effects. In this review, I briefly summarize recent progress in CRISPR-Cas9-based geno editing in C. elegans, highlighting technical improvements in mutagenesis and mutation detection, and discuss potential future app cations of this technique.     

Harnessing the native type I-B CRISPR-Cas for genome editing in a polyploid archaeon

Research on CRISPR-Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats-CRISPR associated protein) systems has led to the revolutionary CRISPR/Cas9 genome editing technique. However, for most archaea and half of bacteria, exploitation of their native CRISPR-Cas machineries may be more straightforward and convenient. In this study, we harnessed the native type I-B CRISPR-Cas system for precise genome editing in the polyploid haloarchaeon Haloarcula hispanica. After testing different designs, the editing tool was optimized to be a single plasmid that carries both the self-targeting mini-CRISPR and a 600–800 bp donor. Significantly, chromosomal modifications, such as gene deletion, gene tagging or single nucleotide substitution, were precisely introduced into the vast majority of the transformants. Moreover, we showed that simultaneous editing of two genomic loci could also be readily achieved by one step. In summary, our data demonstrate that the haloarchaeal CRISPR-Cas system can be harnessed for genome editing in this polyploid archaeon, and highlight the convenience and efficiency of the native CRISPR-based genome editing strategy.     

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。     

Non-viral and viral delivery systems for CRISPR-Cas9 technology in the biomedical field

The clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)-associated protein 9(CRISPR-Cas9) system provides a novel genome editing technology that can precisely target a genomic site to disrupt or repair a specific gene. Some CRISPR-Cas9 systems from different bacteria or artificial variants have been discovered or constructed by biologists, and Cas9 nucleases and single guide RNAs(sgRNA) are the major components of the CRISPR-Cas9 system. These Cas9 systems have been extensively applied for identifying therapeutic targets, identifying gene functions, generating animal models, and developing gene therapies.Moreover, CRISPR-Cas9 systems have been used to partially or completely alleviate disease symptoms by mutating or correcting related genes. However, the efficient transfer of CRISPR-Cas9 system into cells and target organs remains a challenge that affects the robust and precise genome editing activity. The current review focuses on delivery systems for Cas9 mRNA, Cas9 protein, or vectors encoding the Cas9 gene and corresponding sgRNA. Non-viral delivery of Cas9 appears to help Cas9 maintain its on-target effect and reduce off-target effects, and viral vectors for sgRNA and donor template can improve the efficacy of genome editing and homology-directed repair. Safe, efficient, and producible delivery systems will promote the application of CRISPR-Cas9 technology in human gene therapy.     

CRISPR-Cas9研究进展及在基因治疗上的应用

CRISPR-Cas9[Clustered regularly interspaced short palindromic repeats（CRISPR）/CRISPR-associated （Cas）9]是近年兴起的一种高特异性和高效的基因编辑新技术,由向导RNA（single guide RNA,sgRNA）和cas9（CRISPR-associated 9）蛋白组成,引起DNA位点特异性双链断裂（double-strand breaks,DSBs）,引发同源重组修复（homology-directed repair,HDR）或非同源末端连接修复（non-homologous end joining,NHEJ）,达到靶基因修饰的作用。CRISPR-Cas9技术自发现以来,因其便于操作、花费较低、高特异性、可同时打靶任意数量基因等优点而被应用。近年研究显示,对于一些遗传性疾病,可通过CRISPR-Cas9精确的基因编辑破坏致病的内源基因、改正引起疾病的突变体或插入新的保护性基因进行治疗,该技术为基因治疗开启了一个新方向。主要从CRISPR-Cas9结构、作用机制及在疾病基因治疗上的应用等方面进行了综述。