新一代基因组编辑系统CRISPR/Cpf1

CRISPR/Cas系统几乎存在于所有的细菌和古菌中,是用来抵御外来病毒和噬菌体入侵的获得性免疫防御机制。2012年起CRISPR/Cas9被改造为基因编辑工具,并衍生出一系列高效、便捷的基因编辑工具,迅速在基础理论、基因诊断和临床治疗等研究领域中得到广泛应用。然而,CRISPR/Cas9也存在细胞毒性、脱靶效应和基因插入困难等一些亟待解决的问题,在一定程度上限制了CRISPR/Cas9的应用。Cpf1是2015年报道的一种新型CRISPR效应蛋白,具有许多与Cas9不同的特性,有利于克服CRISPR/Cas9应用中的一些限制。本文综述了近两年来对CRISPR/Cpf1的研究进展和应用,并对其应用前景和发展方向进行了展望。     

CRISPR/Cas9介导的基因组编辑技术

规律成簇间隔短回文重复序列(CRISPR)协同其相关蛋白Cas组成了细菌和古细菌的获得性免疫系统。利用该系统可以对外来某一特定单链或双链DNA实施高度特异性沉默或降解的特性,近年来对基因组进行精确定点编辑的CRISPR/Cas系统迅速发展。着重介绍了CRISPR/Cas系统的研究历史、结构、分类及作用机制,并分析讨论了现阶段以Cas9为核心的Ⅱ型系统在应用方面存在的问题及前景。     

2017基因组编辑专刊序言

基因组编辑技术,作为一项生物医学领域的革新技术,已经在动物、植物和微生物基因组改造中得到了广泛的应用。以CRISPR/Cas9为主导的基因组编辑技术掀起了基因组编辑的浪潮,在功能基因组学、遗传改良育种、遗传病治疗等研究中展示出其极大的价值与潜力。本专刊报道了基因组编辑技术的总体状况、在相关领域的基础与应用研究、该技术当前存在的优缺点以及未来展望等。     

重离子辐照酿酒酵母DNA损伤修复途径研究进展

重离子辐照通过直接和间接作用导致生物体DNA产生损伤,包括DNA的链断裂、碱基的插入或丢失以及氧化损伤等.DNA损伤直接影响复制、转录和蛋白质合成,同时还是突变的重要原因,因此,DNA损伤修复系统尤为重要.在酿酒酵母中,这些损伤主要是通过同源重组修复(homologous recombination repair,HRR)、碱基错配修复(mismatch repair,MMR)和碱基切除修复(base excision repair,BER)等途径来修复的.作为真核生物研究的模式生物,对于酿酒酵母DNA损伤修复的HRR、MMR和BER途径研究颇多,也不断有一些新的成果出现,特别是对于相关途径的完善和相关蛋白的深化更是研究热点,在此对近年来有关重离子辐照酿酒酵母DNA损伤修复途径方面的研究做一综述.     

CRISPR/Cas9系统在基因组DNA片段编辑中的应用

源于细菌和古菌的Ⅱ型成簇规律间隔短回文重复系统[Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated nuclease 9 (Cas9),CRISPR/Cas9]近年被改造成为基因组定点编辑的新技术。由于它具有设计简单、操作方便、费用低廉等巨大优势,给遗传操作领域带来了一场革命性的改变。本文重点介绍了CRISPR/Cas9系统在基因组DNA片段靶向编辑方面的研究和应用,主要包括DNA片段的删除、反转、重复、插入和易位,这一有效的DNA片段编辑方法为研究基因功能、调控元件、组织发育和疾病发生发展提供了有力手段。本文最后展望了Ⅱ型CRISPR/Cas9系统的应用前景和其他类型CRISPR系统的应用潜力,为开展利用基因组DNA片段靶向编辑进行基因调控和功能研究提供参考。     

CRISPR/Cas9基因组编辑技术在癌症研究中的应用

CRISPR/cas9基因组编辑技术因其设计简单以及操作容易,使其在基因编辑的研究中越来越受到欢迎。利用该技术,科研人员可以实现在碱基的水平对基因组进行定点修饰。CRISPR系统现已经被广泛地应用到多个物种的基因组编辑以及癌症的相关研究中。本文在最新研究进展的基础上,结合对癌症研究及基因组编辑技术的理解,对CRISPR/Cas9技术在癌症研究中的应用进行了综述。     

乳腺癌易感蛋白1在DNA损伤修复中的作用

人类乳腺癌易感基因1(breast cancer susceptibility gene 1,BRCA1)首先是在乳腺癌家族中发现的,是具有遗传倾向的乳腺癌和卵巢癌易感基因,其基因的突变与家族性乳腺癌及卵巢癌的发生有密切联系。BRCA1是一种抑癌基因,其基因产物可以参与维持基因组稳定性的多条细胞信号通路,例如DNA损伤诱导的细胞周期调控、DNA损伤修复、基因转录调节、细胞凋亡、泛素化等重要的细胞活动。本文就近几年来BRCA1在DNA损伤修复中的作用的研究进展作一综述,包括DNA损伤诱导的细胞周期检查点的激活和DNA损伤修复两方面。     

CRISPR/Cas9基因组编辑技术的研究进展及其应用

随着测序技术的不断进步,获得了越来越多物种的全基因组序列。面对这些海量的基因组数据,基因定点编辑技术是高效捕获目标基因、迅速获得基因功能和应用信息的重要研究手段。CRISPR/Cas9是目前最有效的一种基因定点编辑技术。CRISPR/Cas9系统(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated)是广泛存在于细菌及古生菌中的,由细菌体长期进化而形成,能够降解入侵病毒或噬菌体DNA的适应性免疫系统。因此,对CRISPR/Cas9系统的发展、应用,以其在相关研究中的应用前景进行阐述显得尤为必要。     

URA3基因影响青蒿酸酿酒酵母工程菌中试发酵产量

CRISPR/Cas9基因编辑技术已经被广泛应用于工程酿酒酵母的基因插入、基因替换和基因敲除,通过使用选择标记进行基因编辑具有简单高效的特点。前期利用CRISPR/Cas9系统敲除青蒿酸生产菌株酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae) 1211半乳糖代谢负调控基因GAL80,获得菌株S. cerevisiae 1211-2,在不添加半乳糖诱导的情况下,青蒿酸摇瓶发酵产量达到了740 mg/L。但在50 L中试发酵实验中,S. cerevisiae 1211-2很难利用对青蒿酸积累起到决定性作用的碳源-乙醇,青蒿酸的产量仅为亲本菌株S.cerevisiae 1211的20%–25%。我们推测因遗传操作所需的筛选标记URA3突变,影响了其生长及青蒿酸产量。随后我们使用重组质粒pML104-KanMx4-u连同90 bp供体DNA成功恢复了URA3基因,获得了工程菌株S. cerevisiae 1211-3。S. cerevisiae 1211-3能够在葡萄糖和乙醇分批补料的发酵罐中正常生长,其青蒿酸产量超过20g/L,与亲本菌株产量相当。研究不但获得了不加半乳糖诱导的青...     

可同化阿拉伯糖的木糖还原酿酒酵母菌株构建

[目的] 以秸秆等木质纤维素类生物质为原料生产液体生物燃料乙醇,目前生产成本高,大规模工业化生产尚有较大难度。构建能同化阿拉伯糖进行木糖还原生产木糖醇的重组酿酒酵母菌株,以实现原料中全糖利用、生产高附加值产品,实现产品多元化。[方法] 首先,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术依次向出发菌株中导入阿拉伯糖代谢途径和木糖还原酶基因,使菌株获得代谢阿拉伯糖和将木糖转化为木糖醇的能力;其次,通过适应性驯化的进化工程手段,提高重组菌株对阿拉伯糖的利用效率;最后,通过混合糖发酵验证重组菌株利用阿拉伯糖和还原木糖产木糖醇的能力。[结果] 通过导入植物乳杆菌的阿拉伯糖代谢途径,酿酒酵母菌株获得了较好的利用阿拉伯糖生长繁殖的能力;进一步导入假丝酵母的木糖还原酶基因后,重组菌株在葡萄糖作为辅助碳源条件下可高效还原木糖产木糖醇,但阿拉伯糖的利用能力下降。利用以阿拉伯糖为唯一碳源的培养基进行反复批次驯化,阿拉伯糖的利用能力得以恢复和提升,得到表型较好的重组菌株KAX3-2。该菌株在木糖（50 g/L）和阿拉伯糖（20 g/L）混合糖发酵条件下发酵72 h时,对阿拉伯糖和木糖利用率分别达到42.1%和65.9%,木糖醇的收率为64%。[结论] 本研究成功构建了一株能有效利用阿拉伯糖并能将木糖转化为木糖醇的重组酿酒酵母菌株KAX3-2,为后续构建、获得阿拉伯糖代谢能力更强、木糖醇积累效率更高菌株的工作奠定了基础。     

运用CRISPR/Cas9技术构建表达10rolGLP-1的降糖酵母

为研发一种用于治疗2型糖尿病的新型生物药物,本研究运用实验室前期构建的10rolglp-1基因和CRISPR/Cas9基因组编辑技术创建了重组酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)工程菌株。构建了向导RNA(guide RNA,gRNA)表达载体pyES2-gRNA、供体载体pNK1-L-PGK-10rolGLP-1-R和Cas9表达载体pGADT7-Cas9,将这些表达载体共转化酿酒酵母INVSc1菌株,通过同源重组途径敲入PGK-10rolGLP-1表达单元,最终得到具有降血糖功能、高表达10rolGLP-1的酿酒酵母。通过SDS-PAGE和蛋白质印迹,筛选出2种稳定表达10rolGLP-1的酿酒酵母重组菌株。降血糖实验结果表明,重组降血糖酿酒酵母对糖尿病小鼠模型具有显著的降血糖作用,其血糖下降平缓,可避免引起低血糖风险。体重变化和多尿等其他症状也明显改善,表明本研究构建的口服降血糖酿酒酵母有望成为一种简单有效、经济实用的糖尿病生物药物。     

Plasmid stability in recombinant Saccharomyces cerevisiae

Because of many advantages, the yeast Saccharomyces cerevisiae is increasingly being employed for expression of recombinant proteins. Usually, hybrid plasmids (shuttle vectors) are employed as carriers to introduce the foreign DNA into the yeast host. Unfortunately, the transformed host often suffers from some kind of instability, tending to lose or alter the foreign plasmid. Construction of stable plasmids, and maintenance of stable expression during extended culture, are some of the major challenges facing commercial production of recombinant proteins. This review examines the factors that affect plasmid stability at the gene, cell, and engineering levels. Strategies for overcoming plasmid loss, and the models for predicting plasmid instability, are discussed. The focus is on S. cerevisiae, but where relevant, examples from the better studied Escherichia coli system are discussed. Compared to free suspension culture, immobilization of cells is particularly effective in improving plasmid retention, hence, immobilized systems are examined in some detail. Immobilized cell systems combine high cell concentrations with enhanced productivity of the recombinant product, thereby offering a potentially attractive production method, particularly when nonselective media are used. Understanding of the stabilizing mechanisms is a prerequisite to any substantial commercial exploitation and improvement of immobilized cell systems.     

酵母Sirtuins在细胞寿命中的作用

酿酒酵母(以下简略为酵母)作为寿命分析模型广泛应用于寿命研究领域。酵母寿命分析方法有两种,分别是复制型酵母寿命分析法和时序型酵母寿命分析法。目前,通过酵母寿命分析模型已识别出包括SIR2在内的多个寿命调节基因。SIR2是目前较好的被确立起来的寿命调节基因,具有NAD依赖型脱乙酰化酶的活性,从原核生物到真核生物都有良好的保守性。Sirtuins (Sir2蛋白家族的总称)在细胞内具有功能上的多样性,其中包括对于压力耐受的调节、基因转录的调节、代谢通路的调节以及寿命调节作用等。Sir2是Sirtuins家族最早发现的成员,其功能是参与异染色质结构域转录的沉默调节,同时还参与复制型酵母寿命的调节。已证明,SIR2的缺失会缩短酵母的寿命,基因表达的增高会延长寿命。Sir2的高等真核生物的同源蛋白也被证实参与衰老相关疾病的调节。本文中,我们将阐述Sir2以及Sir2的酵母同源蛋白Hst1-Hst4的功能,以及由它们调节的酵母寿命。     

CRISPR-Cas9系统与mazF介导的大片段删减法在酿酒酵母染色体大片段删减中的比较

【目的】比较CRISPR-Cas9系统与maz F法这两种酿酒酵母染色体大片段删减方法。【方法】分别用上述两种方法删减了酿酒酵母长度为26.5 kb的染色体大片段YKL072W-YKL061W,并比较了两种方法的转化效率、敲除成功率。【结果】利用CRISPR-Cas9系统平均得到5个转化子,但正确率为100%;maz F法得到约100个转化子,正确率略低于前者,为93%。【结论】两种方法均能高效删减酿酒酵母染色体大片段,CRISPR-Cas9系统正确率较高,操作简便省时;maz F法相对稳定,对目的基因无PAM位点要求。     

双孢蘑菇酪氨酸酶基因在酿酒酵母中的异源表达及其酶学特性

【目的】在酿酒酵母中异源表达双孢蘑菇来源的酪氨酸酶基因PPO2,并研究酪氨酸酶在酿酒酵母胞内及胞外的酶学特性。【方法】提取双孢蘑菇总RNA,通过RT-PCR克隆酪氨酸酶基因PPO2,构建表达载体pSP-G1-PPO2,并转化至酿酒酵母进行表达,采用镍亲和层析纯化蛋白并研究其酶学性质。【结果】在酿酒酵母中正确表达了大小为65 kDa的酪氨酸酶蛋白。重组酶能催化底物酪氨酸产生黑色素。体外活性测定表明,酪氨酸酶催化最适温度为45°C,以酪氨酸和多巴为底物时最适pH分别为7.0和8.0。在酿酒酵母中测得底物酪氨酸浓度低于2.5 mg/mL时,黑色素的产量与底物浓度呈现正相关性。【结论】来源于双孢蘑菇的酪氨酸酶基因PPO2在酿酒酵母中成功表达,重组酶具有良好的酶学特性。利用酪氨酸酶产物黑色素的产量与底物浓度呈现正相关性这一特性,可将其作为细胞酪氨酸产量的传感器,为高通量筛选酪氨酸高产菌株提供了思路。     

酿酒酵母L610利用菊糖生产乙醇发酵条件的研究

以1株能够直接利用菊糖产乙醇的酿酒酵母L610为出发菌株,对其利用菊糖生产乙醇的发酵条件进行了一系列研究。结果表明,L610最适乙醇发酵温度为37℃,且40℃高温发酵对其产乙醇能力无显著影响;L610对酸性发酵环境有良好的耐受性,当发酵液p H值降至3.5时,其糖醇转化率及乙醇产量仍保持较高水平;以0.025~0.10 vvm的通气量通气12 h有利于L610发酵菊糖产乙醇;L610对350 g/L的高浓度菊糖有良好的转化率,乙醇浓度和生产强度分别达到129 g/L和1.35 g/(L·h);当直接以300 g/L菊芋粗粉为唯一底物进行发酵时,L610发酵产乙醇浓度达到89.6 g/L,为理论产量的78.1%。本研究所取得的成果为酿酒酵母一步法发酵菊芋生产乙醇的工业化发展提供参考。