应用CRISPRi技术敲低耻垢分枝杆菌异柠檬酸脱氢酶基因

成簇的规律间隔的短回文重复序列干扰(clustered regularly interspaced short palindromic repeat interference,CRISPRi)是一种新型转录抑制技术,该系统包含RNA介导的DNA内切酶dCas9和针对目的基因的特异性单向导RNA(single guide RNA,sgRNA),通过形成DNA识别复合物特异性识别相应DNA序列以抑制目的基因的转录。异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase,ICD)是三羧酸循环中的关键代谢酶,在分枝杆菌的碳代谢过程中发挥重要作用。本研究利用CRISPRi高效抑制分枝杆菌特定基因表达的方法构建耻垢分枝杆菌icd敲低(icd knockdown,ICD-KD)株。定量聚合酶链反应(quantitative polymerase chain reaction,qPCR)和蛋白免疫印迹检测结果显示,耻垢分枝杆菌中icd转录水平与ICD蛋白表达水平显著下降,表明采用CRISPRi技术成功构建了耻垢分枝杆菌ICD-KD株。进一步研究ICD-KD株的生长情况,测定其在固体培养基点板及液体培养基中的生长曲线,结果均显示ICD-KD株生长速率明显减慢,同时菌体内ICD酶活显著降低,提示ICD对分枝杆菌的生长存活起重要作用。本研究使用CRISPRi技术快速构建了分枝杆菌必需基因的敲低菌株,为后续研究分枝杆菌ICD在碳源代谢通路中的功能和碳通量流向调控机制提供了重要基础。     

耻垢分枝杆菌ClpC和ClpX敲低表达菌株的构建及表型分析*

蛋白质平衡稳定对细菌的生长繁殖以及应对宿主免疫压力十分重要。Clp蛋白酶复合体在结核分枝杆菌的蛋白质降解和平衡稳定中发挥重要作用。Clp蛋白酶中负责识别底物蛋白并将其解折叠的蛋白质有两种:ClpC和ClpX。为初步探究分枝杆菌中ClpC和ClpX各自的功能特点,运用CRISPRi的方法成功构建了耻垢分枝杆菌的ClpC和ClpX诱导型敲低表达菌株,并对其生长相关表型进行分析。结果显示:与野生菌株相比,ClpC和ClpX的低表达均能严重影响耻垢分枝杆菌的生长。ClpC低表达可导致菌株丧失生物膜的形成能力,而ClpX低表达则导致菌株无法维持正常细胞形态,电镜显示细胞壁不完整且细胞呈丝状化,提示ClpC和ClpX可能在分枝杆菌中具有不同的生理功能。可为后期深入开展ClpC和ClpX对分枝杆菌生理调控功能研究及新型抗结核药物筛选提供基础。     

表达绿色荧光蛋白的重组耻垢分枝杆菌的构建

目的 建立可表达绿色荧光蛋白的耻垢分枝杆菌,便于对耻垢分枝杆菌进行直观检测和快速定量。方法利用PCR技术从真核表达质粒pLVTH扩增获得绿色荧光蛋白的编码基因,克隆人大肠埃希菌一分枝杆菌穿梭载体pMV261,建立重组质粒pMVGFP,并经酶切鉴定证实。利用电穿孔技术将pMVGFP转化入耻垢分枝杆菌,利用卡那霉素抗性筛选重组耻垢分枝杆菌克隆,扩大培养后直接涂片,荧光显微镜镜检。结果重组质粒pMVGFP构建正确;将重组耻垢分枝杆菌在荧光显微镜下观察,证实绿色荧光蛋白在重组耻垢分枝杆菌中的表达。结论自发释放荧光的重组耻垢分枝杆菌的成功建立,为研究结核病致病机制和快速筛选化学药物等奠定了基础。     

耻垢分枝杆菌中反式翻译报告体系的构建

细菌在翻译过程中,mRNA受到损伤(如缺失终止密码子)时会使翻译提前终止,导致核糖体熄火,细菌自身会启动核糖体拯救途径。由tmRNA-SmpB介导的反式翻译系统是结核分枝杆菌中的核糖体拯救途径,对结核分枝杆菌的生长繁殖有重大影响。为探究分枝杆菌中反式翻译途径的启动及其功能特点,本研究选取耻垢分枝杆菌为实验菌株,分别以mCherry和egfp作为报告基因,通过在报告基因3′端添加大肠埃希菌终止子序列,构建能在菌体中反映反式翻译表达的报告体系,并初步探究该体系中报告基因的动态表达特点。结果显示,相比正常表达mCherry的对照菌株,实验菌株中表达的错误mCherry蛋白很快被水解,菌体颜色均明显浅于前者,增强绿色荧光蛋白(enhanced green fluorescent protein,EGFP)定量检测数据也显示错误EGFP水平显著低于正常表达的EGFP水平,表明两种反式翻译报告体系均构建成功。报告基因的动态表达数据显示,蛋白出现翻译异常时,耻垢分枝杆菌可在蛋白翻译过程中快速启动反式翻译途径,并于40～45h将不成熟错误蛋白完全水解。本研究构建的反式翻译报告体系可为后续开展分枝杆菌反式翻译途径的功能研究及抗结核药物筛选提供帮助。     

耻垢分枝杆菌MSMEG_6281 过表达对菌株生长和形态的影响

【目的】耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis mc2155,mc2155)MSMEG_6281为结核分枝杆菌自溶素Rv3717的同源蛋白,通过建立过表达MSMEG_6281的耻垢分枝杆菌菌株,推测该蛋白对耻垢分枝杆菌肽聚糖代谢的影响。【方法】利用RT-PCR方法检测乙胺丁醇(Ethambutol,EMB)作用后MSMEG_6281基因的表达变化;以耻垢分枝杆菌基因组DNA为模板,采用PCR技术克隆MSMEG_6281基因,构建分枝杆菌表达质粒p VV16-MSMEG_6281,进一步建立MSMEG_6281过表达的耻垢分枝杆菌菌株;利用生长曲线检测MSMEG_6281过表达对耻垢分枝杆菌生长的影响;利用扫描电子显微镜分析MSMEG_6281过表达引起的耻垢分枝杆菌形态变化。【结果】EMB处理引起MSMEG_6281基因表达上调;构建了过表达MSMGE_6281的耻垢分枝杆菌菌株(mc2155/p VV16-MSMEG_6281);过表达MSMGE_6281的耻垢分枝杆菌生长缓慢,菌体形态由短杆状转变为长杆状。【结论】MSMGE_6281的过表达可改变耻垢分枝杆菌形态。MSMGE_6281的功能与细胞壁肽聚糖水解相关,在mc2155细胞壁形态维持方面发挥重要作用。     

CRISPR/Cas系统抵抗人类病毒感染的研究进展

CRISPR/Cas系统是细菌抵抗噬菌体感染的一种机制,细菌利用小RNA分子作为引导序列,引导核酸内切酶对噬菌体基因组进行序列特异性的剪切。利用这一特点,CRISPR/Cas已被改造并广泛用于人类细胞的基因编辑。近年来,CRISPR/Cas系统在抵抗人类病毒感染中的应用潜力备受关注。CRISPR/Cas系统可直接剪切病毒基因组,或编辑对病毒复制高度依赖的宿主因子。此外CRISPR/Cas系统还被开发为高度敏感的病毒检测工具。本文就CRISPR在抵抗人类病毒感染方面的研究进展进行综述。     

构建CRISPR-Cas9介导的耻垢分枝杆菌基因组高效删除系统

【背景】耻垢分枝杆菌具有生长迅速和非致病性的特点,可作为结核分枝杆菌致病机理研究替代菌株和类固醇激素生产的工程菌,但目前耻垢分枝杆菌中缺乏高效率的基因组敲除方法。【目的】基于CRISPR-Cas9介导的定点、高效的DNA切割能力,构建耻垢分枝杆菌染色体DNA片段无痕敲除系统。【方法】构建了包含四环素诱导型启动子驱动的密码子优化的cas9基础载体pCas9101,在双侧同源臂长度约为1 kb条件下选用合适的gRNA表达模块,分别测试了对耻垢分枝杆菌mc2155染色体上的3β-羟基类固醇脱氢酶基因(MSMEG_5228,1 071 bp)和胆固醇降解基因簇(MSMEG_5990-MSMEG_6043,约48kb)敲除效率,使用相同大小的同源臂以经典p2NIL-pGOAL方法进行对照,并计算效率。【结果】使用CRISPR-Cas9方法对耻垢分枝杆菌mc2155的3β-羟基类固醇脱氢酶基因敲除效率为22%,胆固醇降解基因簇敲除效率也达到18%,两者连续敲除效率为4%。但对照p2NIL-pGOAL方法未能获得目标DNA片段敲除的菌株。【结论】本文建立的基于CRISPR-Cas9的耻垢分枝杆菌基因组无痕敲除系统显示出较高的敲除效率,该方法可为耻垢分枝杆菌后续研究提供快速高效的基因组操作方法。     

成簇的规律间隔的短回文重复序列CRISPR 的研究进展

最近发现,在细菌和古菌中广泛存在的成簇的规律间隔的短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)及其相关蛋白是针对噬菌体、质粒等外源DNA的获得性和可遗传的免疫系统。本文综述了CRISPR系统的基本结构、多样性、作用机理及其区分自我与非我的机制,并对CRISPR研究和应用前景进行了展望。     

CRISPR在细菌分型和进化中的研究进展

规律成簇的间隔的短回文重复序列（CRISPR）是近年发现的一类存在于古细菌和细菌基因组内的结构,该结构可以使细菌获得对外源DNA如质粒和噬菌体的免疫,同时由于其结构的多态性,也可作为细菌分型和进化研究的位点。简要综述了CRSIPR系统的基本结构,及其在分型和进化应用方面的研究进展。     

胞壁表达HSP65-IL-2融合蛋白的重组耻垢分枝杆菌的构建和鉴定

目的：获得胞壁表达结核分枝杆菌热激蛋白65（HSP65）和人白细胞介素2（IL-2）融合蛋白的重组耻垢分枝杆菌。方法：将HSP65和IL-2融合基因克隆入大肠杆菌-卡介苗（E．coli-BCG）穿梭质粒pCW,构建成重组质粒HSP65-IL-2-pCW,电穿入耻垢分枝杆菌,经潮霉素抗性筛选和PCR方法选取阳性克隆;用间接免疫荧光法对重组耻垢分枝杆菌进行表型鉴定;用重组耻垢分枝杆菌免疫BALB／c小鼠,检测其诱导的抗体水平。结果：筛选获得的重组耻垢分枝杆菌增殖特性与普通耻垢分枝杆菌无明显区别;与抗人的IL-2抗体和HSP65抗体均可形成免疫印迹条带;间接荧光染色后,可见细菌表面有极强的绿色荧光;重组耻垢分枝杆菌免疫BALB／c小鼠2周后,小鼠血清中HSP65抗体平均滴度为1：4000,而生理盐水组的抗体几乎为阴性。结论：结核分枝杆菌HSP65和人IL-2融合基因在耻垢分枝杆菌胞壁获得表达,有望为结核病的预防提供有效的疫苗。     

基于比较基因组学分析大黄鱼来源波罗的海希瓦氏菌的防御系统

【目的】波罗的海希瓦氏菌是冷藏海产品中常见的腐败菌,通过全基因组测序和转录组测序,分析它们的规律成簇间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)系统和限制修饰(restricted modification,R-M)系统,为波罗的海希瓦氏菌的基础生物学研究和海产品中微生物的致腐机制提供理论基础。【方法】分析大黄鱼来源波罗的海希瓦氏菌SB-19株和W-3株的致腐能力,对W-3株的全基因组序列进行测序、组装和注释,结合已报道的SB-19株和27株希瓦氏菌的全基因组序列,采用比较基因组学方法探究它们的CRISPR和R-M系统的差异,进而对SB-19株和W-3株在不同生长时期进行转录组测序,以及两株菌内致腐相关基因的共进化分析。【结果】灭菌大黄鱼汁中产生挥发性盐基总氮和三甲胺值显示波罗的海希瓦氏菌SB-19株和W-3株分别为强致腐能力和弱致腐能力菌株;平均核苷酸一致性证实SB-19株和W-3株为波罗的海希瓦氏菌,但基于全基因组构建的系统发育树则发现二者之间存在遗传信息上的差异;SB-19株...     

嗜热链球菌CRISPR-Cas系统的检测

【目的】CRISPR-Cas系统为嗜热链球菌抵抗噬菌体等外源基因元件提供获得性免疫,分析NCBI中已公开发表全基因组序列的9株嗜热链球菌所含CRISPR-Cas系统的数目和类型,对实验室相应菌株的CRISPR-Cas系统进行检测。【方法】利用生物信息学方法对NCBI中9株已测序嗜热链球菌所含CRISPR-Cas系统进行分析,根据其Cas基因序列设计引物,对实验室嗜热链球菌菌株的Cas基因进行扩增、测序,分析实验室6株嗜热链球菌的CRISPR-Cas系统情况。【结果】9株标准菌株均含不同数目的CRISPR-Cas系统,其类型主要为Ⅱ-A型、Ⅲ-A型和Ⅰ-E型,各类型的标志Cas基因高度保守。6株供试菌中,S4仅含Cas9基因,其它5株均含有Cas9基因、Cas10基因和Cas9*基因,79和KLDS3.0207还含有Cas3基因。【结论】可根据标准菌株高度保守的Cas基因设计引物,预测未知嗜热链球菌所含CRISPRCas系统的数目和类型。S4仅含1个Ⅱ-A型CRISPR-Cas系统,其它5株均含有2个Ⅱ-A型CRISPR-Cas系统和1个Ⅲ-A型CRISPR-Cas系统,此外,79和KLDS3.0207均含有1个Ⅰ-E型CRISPR-Cas系统。     

CRISPR相关生物信息学基础

成簇规律间隔短回文序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR）是细菌和古细菌在不断进化的过程中获得的一种适应性免疫防御机制,该结构与一些功能相关的蛋白质（CRISPR associated, Cas）合称CRISPR Cas系统。由于其致突变效率高、操作简单及成本较低的特点,近年来对CRISPR/Cas系统的研究获得越来越广泛的关注。该系统迅速在各领域中得到广泛应用,被认为是一种具有广阔应用前景的基因组定点改造分子工具。但是,该系统存在脱靶效应、测序数据分析等挑战。为此,许多研究者开发出各种软件解决以上问题。本文着重从生物信息学的角度出发,对CRISPR/Cas系统中sgRNA的设计软件、CRISPR全基因组筛选功能基因的测序数据分析软件以及CRISPR在生物信息学中的运用作一系统综述。     

CRISPR/Cas9高通量筛选技术与肿瘤治疗

成簇规律间隔短回文重复(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR),是细菌或古菌在与噬菌体长期生存进化获得的一种免疫系统. 根据Cas蛋白(CRISPR-associated protein)的不同,CRISPR系统可分为3种. 其中II型CRISPR/Cas9已被改造成为一种有效的基因编辑工具,并运用于多种物种基因的改造. 作为1种基因编辑的手段,CRISPR/Cas9技术通过诱导DNA双链断裂损伤,进一步干扰基因的表达. 与传统的基因编辑技术相比,CRISPR/Cas9技术显示出效率高、成本低和易操作等特点. 与此同时,二代测序技术的发展促进全基因组的解析. CRISPR技术结合高通量二代测序手段的使用,在肿瘤的治疗领域中已发挥出了独特的优势. 本文就近年来CRISPR/Cas9高通量筛选技术的发展,及其在肿瘤治疗过程中的应用进行综述.     

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...     

CRISPR家族新成员：CRISPR-Cpf1

近年来,基因组编辑技术得到了飞速发展,该技术正在基础生物学研究、医学、生物技术等多个领域引起一场新的变革.Cpf1,作为CRISPR系统的新成员,极大地扩展了基因编辑靶位点的选择范围,同时其介导的多基因编辑具有明显的优势.另外,较短的crRNA序列也使Cpf1更容易产业化.本文将从Cpf1的结构和编辑特点、应用进展、目前面临的问题及展望等方面进行介绍和总结.