CRISPR/Cas植物基因组编辑技术及其在玉米中的应用*

CRISPR/Cas 系统具有操作简单、效率高等优势,为植物功能基因研究和作物遗传改良提供了重要支撑。介绍了CRISPR/Cas植物基因组编辑技术的研究进展,并对CRISPR/Cas系统及其衍生技术进行了详细比较;结合案例综述了CRISPR/Cas9基因编辑技术在玉米产量、品质、抗逆性改良,以及雄性不育系创制和单倍体诱导等方面的应用;同时针对CRISPR/Cas系统未来需要迫切解决的一些问题进行了分析和展望。     

植物CRISPR基因组编辑技术的新进展

在过去的4年中,CRISPR/Cas9基因组编辑技术成为生命科学领域的革命性工具,为植物学基础研究和农作物遗传改良提供了高效、快速而又廉价的遗传操作工具。利用CRISPR/Cas9系统可以实现精准的knock-out和knock-in等遗传操作,也可用于靶向激活或抑制基因的表达。在CRISPR/Cas9被广泛地用于基因组编辑的同时,它的编辑能力、效率和精确度也在不断地改进和完善,特别是CRISPR/Cpf1系统的发掘和单碱基编辑技术的创建,使CRISPR系统正逐步成为一个理想的遗传工程技术平台。此外,利用CRISPR/Cas9技术改良的农作物品种也已经涌现,这必将推动精准基因组编辑技术在农作物遗传改良中的应用和发展。     

基因编辑新技术最新进展

借助基因编辑技术精准编辑植物基因组,得到性状优良、产量高的农作物种质是目前作物分子育种研究的主要趋势。目前主要的CRISPR/Cas9系统是由产脓链球菌的获得性免疫防御系统改编而来,该系统以其编辑高效、操作方便、成本低廉等明显优势在基因编辑技术中脱颖而出,广受青睐。利用CRISPR/Cas技术编辑作物基因组,能精确引入和改良目标性状,为作物遗传育种提供新途径。当前, CRISPR/Cas9技术在拟南芥、水稻、土豆、玉米等植物中得到普遍应用。该文简要阐述了锌指核酸酶、转录因子激活样效应物核酸酶以及CRISPR/Cas9系统的结构、作用机制及差异,重点综述CRISPR/Cas9系统目前在植物中的应用、其改良的CRISPR/Cpf1技术以及该系统相比于其他核酸酶的优势与局限性。     

基因组编辑技术在水稻功能基因组和遗传改良中的应用

基因组编辑技术对植物基因功能研究和作物遗传改良具有巨大的潜在价值。CRISPR/Cas9系统是继锌指核酸酶(ZFNs)和类转录激活效应因子核酸酶(TALENs)系统之后的新一代基因组编辑技术系统,具有操作简单和效率高等优点。概述了CRISPR/Cas9系统的技术特点及其在水稻基因功能研究及遗传改良中的应用,并指出了该系统在植物基因精准编辑中需要突破的关键问题。     

CRISPR/Cas核糖核蛋白介导的植物基因组编辑

CRISPR/Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins)系统作为一种重要的基因编辑工具,自诞生以来被广泛应用于作物的性状改良。与CRISPR/Cas DNA载体介导的植物基因组编辑相比,CRISPR/Cas核糖核蛋白(CRISPR/Cas ribonucleoprotein, CRISPR/Cas RNP)介导的植物基因组编辑具有作用迅速、脱靶率低和无外源DNA插入(DNA-free)等优点,因而无需清除CRISPR编辑工具而更容易获得纯合的编辑体。但是,由于植物细胞转化方法和细胞再生技术的限制,不借助筛选标记的辅助将CRISPR/CasRNP直接导入植物细胞并获得高效基因编辑仍比较困难,直接限制了CRISPR/CasRNP在植物基因组编辑中的广泛应用。本文系统介绍了CRISPR/Cas RNP基因组编辑技术的分子作用机理及其优势,并总结了CRISPR/Cas RNP导入植物细胞的方法,最后对CRISPR/Cas RNP在植物基因组编辑中的新应用和新思路进行了展望,以期为进一步改进CRISPR/Cas RNP基因组编辑技术和扩大其在作物改良中的应用提供参考。     

基于CRISPR/Cas9系统在全基因组范围内筛选功能基因及调控元件研究进展

CRISPR/Cas9系统是一种近年来被广泛应用于基因组编辑的强大工具。通过将CRISPR/Cas9系统中的Cas9蛋白突变后,使其失去剪切活性而成为dCas9 (nuclease-dead Cas9),再结合基因功能丧失(loss-of-function,LOF)、基因功能激活(gain-of-function, GOF)以及非编码功能基因鉴定技术即可实现全基因组高通量的功能基因及调控元件靶向鉴定和筛选。目前,该技术已被广泛应用于疾病免疫机理、药物靶点筛选和动物遗传育种等研究,为生命医学和基础科学带来了全新高效的技术方法和研究思路。本文综述了基于CRISPR/Cas9技术在全基因组中高通量筛选功能基因及调控元件的方法及研究进展,重点阐述了CRISPR/Cas9系统在动物细胞中筛选功能性基因的方法,以期为基因编辑及相关研究领域提供参考。     

乳酸菌基因组编辑技术研究进展

乳酸菌是一类重要的工业微生物,具有多种益生功能。目前关于其代谢功能改造、蛋白功能鉴定和挖掘优良功能基因等的研究主要依赖于传统的同源重组技术,但该技术效率低下,耗时且操作繁琐,严重制约了乳酸菌在基因水平的改造。因此建立稳定、高效的乳酸菌基因编辑方法,借助基因编辑技术挖掘功能基因、解析代谢途径、改良工业菌株等是十分有必要的。文章综述了乳酸菌基因编辑技术及其原理,并对这些技术在乳酸菌基因组上的应用现状和亟待解决的问题进行了分析总结,展望了乳酸菌基因组编辑技术的未来发展趋势,以期为乳酸菌功能基因鉴定及遗传改良提供参考。     

藻类基因编辑技术研究进展

CRISPR/Cas9作为热门的基因编辑技术,已广泛用于模式生物、经济动、植物及部分海洋生物的基因功能检测和遗传改良,在海洋藻类中亦有成功运用的实例。介绍了CRISPR/Cas9基因编辑方法及其在藻类中的最新进展,分析基因编辑技术在应用中存在的问题,现有的研究成果对该技术在大型海藻中应用的指导意义,以期为CRISPR/Cas9在海洋大型海藻中的应用提供参考。     

CRISPR/Cas基因编辑技术及其在作物育种中的应用

CRISPR/Cas基因编辑技术在植物基因功能研究和作物遗传改良方面具有重要应用价值,其主要依赖gRNA引导核酸内切酶在目标基因组位置产生双链断裂（DSBs）,DSBs在通过非同源末端连接（NHEJ）或同源重组（HDR）方式进行修复时,会引起靶标位置核苷酸序列的缺失、插入或者替换,从而实现基因编辑。介绍了CRISPR/Cas基因编辑技术的作用机理及发展趋势,并对CRISPR/Cas技术在主要粮食及经济作物育种中的应用进展进行了总结,以期为农作物育种提供有益的参考。     

基因编辑技术的发展及其在农业生产中的应用

对动植物和人类基因组的测序为功能基因组研究提供了基础数据。然而,核苷酸序列信息并不足以帮助我们了解特定的基因组元件的功能及其在表型形成中的作用。基因编辑技术能够在很大程度上解决这一问题,帮助人们快速获得新的基因组突变模式,从而以更便捷高效的方式进行功能基因组研究。对基因编辑的基本原理及常见的锌指核酸酶(ZFN)、转录激活因子样效应因子核酸酶(TALEN)和2013年出现的CRISPR/Cas9系统进行了回顾,讨论了基因编辑技术的应用历史,特别在农业应用方面,重点关注了CRISPR/Cas9系统在水稻基因编辑中的应用,阐述了CRISPR/Cas9在基因组编辑领域的问题和其他应用方面的困难,探讨了基因编辑工具在作物改良方面所面临的主要挑战和未来发展趋势。     

乳酸菌的基因组编辑技术研究进展

乳球菌(Lactococcussp.)和乳杆菌(Lactobacillussp.)是工业上常用的乳酸菌(lacticacid bacteria,LAB),长期应用于食品和饮料的发酵。近年来,随着分子操作及遗传改造技术的不断完善,推动了乳球菌和乳杆菌的基础和应用研究,其作为功能菌株和工业微生物细胞工厂的重要潜能也不断突显出来。本文综述了工业常用乳酸菌的基因组编辑技术研究进展,着重介绍了基于整合质粒的敲除、敲入,基于基因组重组工程的精细修饰和敲除、敲入,以及基于成簇的规律性间隔的短回文重复序列及其相关蛋白9[(clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats(CRISPR)/CRISPR-associated nuclease9 (Cas9), CRISPR/Cas9]系统的基因组编辑技术。     

CRISPR/Cas9技术在非模式植物中的应用进展

基因组编辑技术的出现对植物遗传育种及作物性状的改良产生了深远意义。CRISPR/Cas(clustered regularly interspaced short palindromic repeat)是由成簇规律间隔短回文重复序列及其关联蛋白组成的免疫系统,其作用是原核生物(40%细菌和90%古细菌)用来抵抗外源遗传物质(噬菌体和病毒)的入侵。该技术实现了对基因组中多个靶基因同时进行编辑,与前两代基因编辑技术:锌指核酶(ZFNs)和转录激活因子样效应物核酶(TALENs)相比更加简单、廉价、高效。目前CRISPR/Cas9基因编辑技术已在拟南芥(Arabidopsis thaliana)、烟草(Nicotiana benthamiana)、水稻(Oryza sativa)、小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、番茄(tomato)等模式植物和多数大作物中实现了定点基因组编辑,其应用范围不断地向各类植物扩展。但与模式植物和一些大作物相比,CRISPR/Cas9基因编辑技术在非模式植物,尤其在一些小作物的应用中存在如载体构建、靶点设计、脱靶检测、同源重组等问题有待进一步完善。该文对CRISPR/Cas9技术在非模式植物与小作物研究的最新研究进展进行了总结,讨论了该技术目前在非模式植物、小作物应用的局限性,在此基础上提出了相关改进策略,并对CRISPR/Cas9系统在非模式植物中的研究前景进行了展望。     

CRISPR/Cas9介导的基因组定点编辑技术在丝状真菌中的研究进展

CRISPR/Cas9技术是在特定的RNA引导下,利用特异的核酸酶实现对基因组进行编辑的新技术。自2013年该技术体系建立起来已成功应用于动物、植物及真菌中。本文简述了3种基于核酸酶的基因编辑技术及其应用,概述了CRISPR/Cas9系统的组成及其作用机理,总结了CRISPR/Cas9在模式真菌酿酒酵母及丝状真菌中的应用,并就在丝状真菌中应用该技术时sg RNA表达盒的设计、Cas9表达盒的优化、抗性标记的筛选、受体的选择等方面提出具体的研究方法。另外,针对该技术应用过程中出现的脱靶效应、Cas9核定位信号的添加、启动子的选择及多个靶基因的编辑等问题提出了建议与展望,希望能够为初次涉足该领域的科研人员提供理论参考和技术支持。     

利用CRISPR/Cas9技术对人多能干细胞进行高效基因组编辑

CRISPR/Cas9技术提供了一个全新的基因组编辑体系。本文利用CRISPR/Cas9平台,在人胚胎干细胞株中对选取的一段特定基因组区域进行了多种基因组编辑：通过在基因编码框中引入移码突变进行基因敲除;通过单链DNA提供外源模板经由同源重组定点敲入FLAG序列;通过同时靶向多个位点诱导基因组大片段删除。研究结果表明CRISPR/Cas9可以对多能干细胞进行高效基因编辑,获得的突变干细胞株有助于对基因和基因组区域的功能进行分析和干细胞疾病模型的建立。     

机器学习方法在CRISPR/Cas9系统中的应用

基于CRISPR/Cas9系统介导的第三代基因组定点编辑技术,已被广泛应用于基因编辑和基因表达调控等研究领域。如何提高该技术对基因组编辑的效率与特异性、最大限度降低脱靶风险一直是该领域的难点。近年来,机器学习为解决CRISPR/Cas9系统所面临的问题提供了新思路,基于机器学习的CRISPR/Cas9系统已逐渐成为研究热点。本文阐述了CRISPR/Cas9的作用机理,总结了现阶段该技术面临的基因组编辑效率低、存在潜在的脱靶效应、前间区序列邻近基序(PAM)限制识别序列等问题,最后对机器学习应用于优化设计高效向导RNA (sgRNA)序列、预测sgRNA的活性、脱靶效应评估、基因敲除、高通量功能基因筛选等领域的研究现状与发展前景进行了展望,以期为基因组编辑领域的研究提供参考。     

CRISPR/Cas9系统的分子机制及其在人类疾病基因治疗中的应用

CRISPR/Cas系统是广泛存在于细菌和古生菌中的适应性免疫系统,用来抵抗外来病毒或质粒的入侵。近几年,由Ⅱ型CRISPR/Cas适应性免疫系统改造而来的CRISPR/ Cas9基因组编辑技术蓬勃发展,被广泛地应用于生命科学研究的各个领域,并取得了革命性的变化。文章主要综述了CRISPR/Cas9基因组编辑技术的起源与发展及在生命科学各研究领域的应用,重点介绍了该系统在人类疾病基因治疗方面的最新应用及脱靶效应,以期为相关领域的科研人员提供参考。     

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...