一种大肠杆菌快速连续CRISPR基因组编辑的新策略

【背景】通过CRISPR结合λ-Red同源重组技术进行染色体编辑是大肠杆菌遗传改造的重要手段。虽然目前已经有多个以CRISPR为基础的大肠杆菌基因组编辑策略,但这些方法往往涉及单独质粒消除、多片段组装等过程,存在效率低、操作繁琐、耗时长等问题。【目的】建立一种基于不同温度敏感程度的多种质粒协同使用的大肠杆菌快速、连续、高效的CRISPR基因组编辑方法,提高CRISPR在大肠杆菌基因编辑过程中的效率。【方法】将传统CRISPR方法中使用的pTarget质粒改造为RK2ts型温敏型质粒,并采用pTW-A/S两种抗性标记质粒交替使用的方法消除假阳性,实现质粒消除与下一步基因组编辑同步进行。【结果】在相同温度下RK2ts型质粒先于pSC101ts型质粒发生丢失,从而能够选择性缺失RK2ts型质粒pTW-A/S。同时实现pTW-A/S质粒的消除和下一轮基因整合过程中质粒与打靶片段的转入。利用该方法基因敲除/整合效率高达100%。通过对菌株BP01基因Bspan D与asp A进行高效连续整合,构建得到菌株BP03,成功提升产物β-丙氨酸的产量。【结论】建立起一种新的高效、方便、灵活的CRISPR/Cas9介导的大肠杆菌基因组连续编辑策略。通过这种不同温度敏感程度的多种质粒协同使用方法,一方面解决了传统方法中质粒消除繁琐等问题,另一方面也避免了大质粒多片段连接等步骤,并极大地缩短了实验周期,为代谢工程菌株改造提供有力工具。     

应用基因敲除快速构建大肠杆菌突变体改造脂肪酸代谢途径

【目的】基因敲除技术是研究基因功能的重要手段。我们试图建立一种快速、高效的大肠杆菌基因敲除方法。【方法】利用大肠杆菌(Escherichia coli)BW25113单基因缺失体Keio文库,将经典的Red同源重组技术与P1噬菌体转导技术相结合,对E.coli MG1655脂肪酸代谢基因进行快速敲除。【结果】获得了大肠杆菌β-氧化途径的缺失菌株△fadD、△fadE和△fadD-△fadE;脂肪酸合成途径缺失菌株△fabH、△fabF和△fabH-△fabF。敲除fadD和fadE对生长情况没有影响;敲除fabH后,生长速度明显减慢;敲除fabF对生长几乎没有影响。FadD、FadE及双敲缺失体的脂肪酸含量18.2 mg/L、20.0mg/L和19.2 mg/L,略高于野生型17.5 mg/L;FabH、FabF及双敲缺失体的含量分别为12.6 mg/L、15.2 mg/L和11.2 mg/L,明显低于野生型。【结论】在单基因突变体文库基础上,利用P1噬菌体转导、Red同源重组和抗性基因消除进行基因敲除,简化了构建大肠杆菌单基因和多重突变体的方法。     

分枝杆菌LY-1内源性表达元件的筛选及其在降低Cas9蛋白毒性中的应用

【背景】分枝杆菌LY-1因能够将天然植物甾醇代谢转化为重要甾体药物中间体,目前已成为工业上的优势生产菌株。高效的CRISPR/Cas9基因编辑技术是工业菌株代谢工程改造进行产量性状提升的关键。然而由于Cas9蛋白的高表达毒性问题且分枝杆菌中已公开报道的可用表达元件较少,极大地限制了Cas9蛋白在该菌株中的适度表达。【目的】筛选内源性表达元件,利用合适的表达元件启动Cas9蛋白的表达,降低其对菌株的毒性。【方法】依据文献和前期研究获得的分枝杆菌基因转录组水平数据,并结合启动子在线预测网站BDGP(https://www.fruitfly.org/seq＿tools/promoter.html),筛选内源性表达元件。以增强型绿色荧光蛋白作为报告基因对表达元件的强度进行评估,并采用不同强度的表达元件启动Cas9蛋白的表达。【结果】获得了23个不同表达强度的表达元件,采用中等强度的表达元件及弱表达元件都降低了Cas9蛋白对分枝杆菌LY-1的毒性,实现了Cas9蛋白在该菌株中的适度表达。【结论】建立了分枝杆菌LY-1内源性表达元件库,为后续菌株中高效CRISPR/Cas9基因编辑技术的构建及关键...     

家蚕β-呋喃果糖苷酶基因BmSuc1的CRISPR敲除载体的构建与导入

【目的】CRISPR/Cas9是近些年报道较多的基因编辑新工具,具有简便高效、特异性强等优势。BmSuc1是从鳞翅目经济昆虫家蚕Bombyx mori体内发现的编码β-呋喃果糖苷酶(β-fructofuranosidase,β-FFase)的基因,也是首个被克隆和鉴定的动物型β-FFase编码基因。β-FFase是作用于果糖基的蔗糖水解酶,BmSUC1可能与家蚕防御桑叶生物碱的生理过程有关,但目前其发挥作用的分子机制尚不清晰。为了解析BmSuc1在蚕体的作用途径及其生理功能,本研究基于CRISPR/Cas9基因编辑系统构建表达双元sgRNA的CRISPR载体,用于敲除家蚕基因组中的BmSuc1基因。【方法】根据目的基因BmSuc1的ORF序列设计2条sgRNA,通过同源重组的方法分别插入CRISPR载体的Sal I和Nhe I酶切位点。进而利用转基因显微注射技术将该编辑载体注入G_0代蚕卵,经催青孵化饲养家蚕并自交制备G_1代蚕种。【结果】PCR验证及测序结果均表明CRISPR编辑载体构建成功。根据Ds Red2红色蛋白的荧光标记,从G_1代家蚕幼虫中成功筛选出阳性转基因个体。【结论】本文详细介绍了表达双元sgRNA的CRISPR载体的构建方法,所获得的阳性转基因家蚕对于下一步探讨BmSuc1在家蚕糖类营养的吸收与利用途径中的作用奠定了重要的实验基础,有助于阐明蚕-桑相互选择和适应的分子机制。     

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因的敲除对于谷氨酸棒杆菌V1生理代谢的影响

【目的】L-缬氨酸生物合成的前体物质是丙酮酸。为了增加磷酸烯醇式丙酮酸向丙酮酸的代谢流向,优化L-缬氨酸前体物质的供应,以一株积累L-缬氨酸的谷氨酸棒杆菌V1(Corynebacterium glutamicum V1)为对象,构建磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)基因敲除的重组菌株C.glutamicum V1-Δpepc,并研究pepc敲除后菌株生理特性的改变。【方法】运用交叉PCR方法得到pepc基因内部缺失的同源片段Δpepc,并构建敲除质粒pK18mobsacB-Δpepc。利用同源重组技术获得pepc基因缺陷突变株C.glutamicum V1-Δpepc。采用摇瓶发酵对C.glutamicum V1-Δpepc进行发酵特性的研究。对谷氨酸棒杆菌模式菌株C.glutamicum ATCC 13032、出发菌株C.glutamicum V1和敲除菌株C.glu-tamicum V1-Δpepc的丙酮酸激酶(Pyruvate kinase,PK)、丙酮酸脱氢酶(Pyruvate dehydro-genase,PDH)、丙酮酸羧化酶(Pyruvate carboxylase,PC)分别进行测定和分析。【结果】PCR验证以及PEPC酶活测定都表明筛选到pepc缺陷的突变菌株C.glutamicum V1-Δpepc,摇瓶发酵结果表明,突变菌株C.glutamicum V1-Δpepc不再积累L-缬氨酸而是积累L-精氨酸达到7.48 g/L。酶活测定结果表明出发菌株的PDH和PC酶活均低于模式菌株C.glu-tamicum ATCC13032和重组菌株C.glutamicum V1-Δpepc,出发菌株的PK与PEPC酶活与模式菌株没有较大的差异。【结论】研究表明,通过切断PEPC参与的三羧酸循环的回补途径,增加磷酸烯醇式丙酮酸向丙酮酸的流向使丙酮酸向TCA循环的流量增加,精氨酸的累积量提高。同时,以丙酮酸为前体的L-缬氨酸和丙氨酸的积累量降低。     

CRISPR/Cas9系统介导的地衣芽孢杆菌基因敲除

地衣芽孢杆菌是具有广泛应用的重要工业微生物,迄今为止这一菌株的基因编辑工具仍十分有限。CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)/Cas9系统已在许多物种中成功应用于基因编辑,然而地衣芽孢杆菌极低的转化和重组效率为CRISPR/Cas9系统在这一宿主中的应用带来障碍。本研究构建了诱导型表达Cas9蛋白的重组质粒,成功实现了CRISPR/Cas9系统介导的地衣芽孢杆菌淀粉酶编码基因amy L的敲除。结果显示,所设计的3个sg RNA均能实现目的基因的有效编辑,基因敲除的成功率分别为58%、39%和37%。淀粉酶基因敲除的重组大肠杆菌生长无显著影响,淀粉酶活力为原始菌的0.86%。以上成果为研究地衣芽孢杆菌的基因功能及通过菌种改造提升这一工业微生物的发酵性能提供了新型、有效的基因编辑工具。     

类鼻疽伯克霍尔德菌bopA基因敲除株的构建及生物学特征

【【背景】类鼻疽杆菌是一种能够引起人类疾病甚至死亡的胞内寄生菌,Ⅲ型分泌系统在该菌入侵上皮细胞、逃避宿主免疫以及毒力因子的分泌过程中发挥重要作用,其中bopA基因为TTSS-3基因编码的重要效应蛋白,在类鼻疽杆菌的免疫逃逸中发挥重要作用。【目的】构建类鼻疽杆菌bopA基因敲除菌株,并对其生物学特征进行初步研究。【方法】构建pK18mobSacB-ΔbopA自杀质粒,通过大肠杆菌S17-1λpair以接合的方式转入类鼻疽杆菌,利用同源重组敲除了bopA基因,并用蔗糖平板筛选出菌株,最后在细胞和动物水平检测敲除菌株的表型变化。【结果】构建了bopA敲除的类鼻疽菌株,并通过细胞和动物实验证实敲除bopA基因后,细菌的细胞侵袭和胞内存活以及体内定殖能力都显著降低。【结论】利用同源重组成功构建类鼻疽bopA基因敲除株,为深入研究该基因的作用靶点奠定了实验基础。     

CRISPR/Cas技术及其在发酵菌株上的应用

发酵菌株的改良在发酵工业生产上通常是一项非常重要的内容,而传统的驯化模式周期长、效率低、稳定性差且成本高,很难满足工业化快速生产的要求。规律成簇间隔短回文重复Cas(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/Cas,CRISPR/Cas)是细菌及古生菌中的一种适应性免疫系统,在此系统上改进的基因编辑技术能实行RNA导向的DNA精准编辑。因而利用CRISPR/Cas基因编辑技术对菌株的快速构建和优化,是一条快速获得高产菌株的新途径。本文综述了CRISPR/Cas系统组成、工作原理、分类以及该技术在发酵菌株上的应用研究进展,并探索了该技术存在的问题以及目前的解决办法,最后对CRISPR/Cas技术在发酵工程上的潜力进行了展望。     

缺口酶Cas9 D10A和Cas9 H840A在大肠杆菌基因组编辑中的应用

目前Ⅱ型CRISPR/Cas9工具被广泛应用于基因组编辑中,利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术对大肠杆菌(Escherichia coli)基因组进行编辑,可应用于代谢工程及细菌耐药性等研究领域中。利用单缺口核酸酶Cas9 nickase (Cas9n)工具对宿主细胞基因进行修饰,可降低由于双链断裂对宿主带来的毒性。但目前利用CRISPR/Cas9n对大肠杆菌基因组编辑的研究较少,不利于缺口酶Cas9 D10A和Cas9 H840A在大肠杆菌基因组编辑的应用。本研究在前人报道的细菌双质粒Cas9基因编辑系统(pCas/pTarget)基础上,通过分子突变的方法构建缺口酶Cas9突变体质粒pCas-D10A和pCas-H840A,以及携带修复模板或无修复模板的靶向大肠杆菌sseA基因的质粒pTargetT-△sseA(993 bp)和pTargetT-△sseA,系统研究了两种缺口酶编辑大肠杆菌内源性基因sseA的有效性和效率。在稳定表达pCas质粒的MG1655菌株中转入携带修复模板的pTargetT-△sseA(993 bp)质粒,通过菌落PCR及DNA测序方法验证基因编辑的有...     

CRISPR/Cas9技术在斑马鱼基因修饰中的应用

CRISPR/Cas9系统的应用促进了基因编辑技术的快速发展,现已成功地在不同模式生物中实现了高效的基因修饰,包括DNA序列的点突变、大片段删除以及外源基因的定向插入等。现就CRISPR/Cas9系统在斑马鱼模式动物中建立基因敲除和敲入品系的最新研究进展作一综述。