基于CRISPR/Cas9的精准基因编辑技术研究进展

基因编辑技术是一种可以在基因组水平上对DNA序列进行改造的遗传操作技术。基于CRISPR/Cas9系统的精准编辑技术是一个操作方便、应用广泛的基因编辑技术,与传统的CRISPR/Cas9不同,精准基因编辑技术可以在不需要DNA模板的情况下对基因进行定点突变。本文重点介绍了近年来基于CRISPR/Cas9介导的精准基因编辑技术的发展,并深入分析了基因精准编辑技术面临的挑战和机遇。     

CRISPR/Cas9系统在植物基因组编辑中技术改进与创新的研究进展

CRISPR/Cas9基因组编辑技术是一项对基因组进行精准修饰的技术,可实现对靶标基因的碱基插入、缺失或DNA片段替换。随着人们对CRISPR/Cas9系统的了解逐渐加深,其在科研、农业和医疗等领域的应用也越来越广泛。该文简要介绍了CRISPR/Cas9基因组编辑技术的发展以及工作原理,总结了近几年对该技术进行优化与改进的研究进展,包括基因组编辑效率的提升、基因组编辑范围的扩展、单碱基精准编辑以及多基因同时编辑、基因组编辑安全性的提升以及基因片段替换与基因靶向转录调控,以期为深入开展这一领域的研究提供参考。     

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。     

CRISPR/Cas9系统在植物基因组编辑中技术改进与创新的研究进展

CRISPR/Cas9基因组编辑技术是一项对基因组进行精准修饰的技术, 可实现对靶标基因的碱基插入、缺失或DNA片段替换。随着人们对CRISPR/Cas9系统的了解逐渐加深, 其在科研、农业和医疗等领域的应用也越来越广泛。该文简要介绍了CRISPR/Cas9基因组编辑技术的发展以及工作原理, 总结了近几年对该技术进行优化与改进的研究进展, 包括基因组编辑效率的提升、基因组编辑范围的扩展、单碱基精准编辑以及多基因同时编辑、基因组编辑安全性的提升以及基因片段替换与基因靶向转录调控, 以期为深入开展这一领域的研究提供参考。     

基因组编辑:植物生物技术的机遇与挑战北大核心CSCD

基于序列特异性核酸酶的基因组编辑技术可以在不同物种中对目标基因进行定点敲除,并可实现特定基因片段置换,基因的定点插入等基因组靶向修饰。基因组编辑是一种精准和高效的基因工程方法,近年来快速发展并得到了广泛的应用,并将改变生物技术的现状。目前,基因组编辑在不同植物,特别是农作物中的技术体系已建立,初步展示了其在植物生物技术领域的巨大潜力。介绍了不同基因组编辑系统的工作原理,并对基因组编辑技术在植物研究中的应用及成功案例进行了综述,最后对基因组编辑在植物生物技术领域所面临的机遇与挑战进行了讨论。     

基因组编辑:植物生物技术的机遇与挑战

基于序列特异性核酸酶的基因组编辑技术可以在不同物种中对目标基因进行定点敲除,并可实现特定基因片段置换,基因的定点插入等基因组靶向修饰。基因组编辑是一种精准和高效的基因工程方法,近年来快速发展并得到了广泛的应用,并将改变生物技术的现状。目前,基因组编辑在不同植物,特别是农作物中的技术体系已建立,初步展示了其在植物生物技术领域的巨大潜力。介绍了不同基因组编辑系统的工作原理,并对基因组编辑技术在植物研究中的应用及成功案例进行了综述,最后对基因组编辑在植物生物技术领域所面临的机遇与挑战进行了讨论。     

基因组编辑技术在干细胞疾病模型和疾病治疗中的应用

基于人类多能干细胞(human pluripotent stem cells,h PSCs)的疾病模拟体系提供了一个全新的疾病研究平台。携带特定致病突变的h PSCs可以通过患者体细胞重编程成诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells,i PSCs)获得,或者通过向野生型h PSCs中引入致病突变获得。获得的突变h PSCs及其野生型对照细胞株在体外诱导下可以分化为疾病相关体细胞类型,继而被用于疾病模拟和机理研究。近几年出现的基因组编辑技术使得疾病模拟平台的建立更加高效和优化。主要讨论干细胞疾病模拟领域的进展,以及基因组编辑技术在干细胞疾病模拟和疾病治疗中的应用。     

基因编辑技术在斑马鱼中的应用及研究进展

基因编辑技术通过对特定DNA片段的插入、敲除、修饰或替换等,实现对生物体中目标基因的编辑。与早期基因工程技术将遗传物质随机插入宿主基因组中的方式不同的是,基因编辑技术能够定点需要插入的位置,从而实现对生物体基因组特定位点的准确修饰、人为地改造生物体的遗传信息,目前广泛应用于斑马鱼的基因组学、遗传发育和基因功能研究中。其方法包括诱变技术、Tol2转座子、Morpholino、ZFNs、TALEN和CRISPR/Cas系统等。本研究主要介绍了基因编辑技术的作用机理与发展概况。作为一种精准而高效的基因工程方法,基因编辑技术在近年来得到了飞速地发展。它既可以采用对特定基因的靶向突变来研究基因的功能,也可以通过将功能性基因插入并替代缺陷基因而用于某些遗传性疾病的基因治疗。可以肯定的是,基因编辑技术未来将在基础生物学、医学、生物技术等多个领域具有重要的研究价值和应用价值。     

基因组编辑技术在干细胞疾病模型建立和精准医疗中的应用

精准医疗强调针对不同个体定制个性化治疗方案,其推行需要精准疾病模型的建立。人类干细胞因其具有多能性而成为体外不同类型的成体细胞和器官小体的潜在来源,其强增殖能力保证了充足原材料用于科研分析和大规模药物筛选。基因组编辑技术(尤其是CRISPR/Cas9技术)的快速发展使得在人多能干细胞和成体干细胞中进行高效基因组编辑成为可能。两者的有效结合能建立起针对不同遗传致病背景的“个性化”疾病模型,有利于深入解析不同遗传突变的致病机制和开发高针对性的精准医疗方案。本文对基因组编辑技术在人类干细胞中的应用以及利用干细胞疾病模型模拟罕见病和肿瘤发生的研究进行了综述。     

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。     

Homology Directed Knockin of Point Mutations in the Zebrafish tardbp and fus Genes in ALS Using the CRISPR/Cas9 System

The methodology for site-directed editing of single nucleotides in the vertebrate genome is of considerable interest for research in biology and medicine. The clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated protein 9 type II (Cas9) system has emerged as a simple and inexpensive tool for editing genomic loci of interest in a variety of animal models. In zebrafish, error-prone non-homologous end joining (NHEJ) has been used as a simple method to disrupt gene function. We sought to develop a method to easily create site-specific SNPs in the zebrafish genome. Here, we report simple methodologies for using CRISPR/Cas9-mediated homology directed repair using single-stranded oligodeoxynucleotide donor templates (ssODN) for site-directed single nucleotide editing, for the first time in two disease-related genes, tardbp and fus.     

Expanding the base editing scope in rice by using Cas9 variants

Base editing is a novel genome editing strategy that enables irreversible base conversion at target loci without the need for double stranded break induction or homology‐directed repair. Here, we developed new adenine and cytosine base editors with engineered SpCas9 and SaCas9 variants that substantially expand the targetable sites in the rice genome. These new base editors can edit endogenous genes in the rice genome with various efficiencies. Moreover, we show that adenine and cytosine base editing can be simultaneously executed in rice. The new base editors described here will be useful in rice functional genomics research and will advance precision molecular breeding in crops.     

Prime editing: advances and therapeutic applications

Clustered regularly interspaced short palindromic repeats-associated protein 9 (CRISPR–Cas)-mediated genome editing has revolutionized biomedical research and will likely change the therapeutic and diagnostic landscape. However, CRISPR–Cas9, which edits DNA by activating DNA double-strand break (DSB) repair pathways, is not always sufficient for gene therapy applications where precise mutation repair is required. Prime editing, the latest revolution in genome-editing technologies, can achieve any possible base substitution, insertion, or deletion without the requirement for DSBs. However, prime editing is still in its infancy, and further development is needed to improve editing efficiency and delivery strategies for therapeutic applications. We summarize latest developments in the optimization of prime editor (PE) variants with improved editing efficiency and precision. Moreover, we highlight some potential therapeutic applications.     

CRISPR/Cas9基因组编辑技术在HIV-1感染治疗中的应用进展

基因治疗是将外源正常基因通过一定方式导入人体靶细胞以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病,从而达到治疗目的。因此,基因治疗的技术方法在研究持续感染HIV-1或潜伏感染HIV-1原病毒患者的治疗中具有重大的现实意义。目前,现有的基因治疗方法存在识别靶向位点有限及脱靶几率大等主要问题。最新研究表明来源于细菌和古菌的规律间隔成簇短回文重复序列及其相关核酸酶9系统[Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated nuclease 9 (Cas9), CRISPR/Cas9]已被成功改造成基因组定点编辑工具。因此,如何利用CRISPR/Cas9系统实现对HIV-1病毒基因组进行高效靶向修饰,从而达到治疗HIV-1感染病患的目的已经成为当前研究的热点。本文参考最新国内外研究成果,重点介绍了 CRISPR/Cas9基因组编辑技术在HIV-1感染疾病治疗中的应用,主要包括CCR5基因编辑、清除HIV-1原病毒以及活化HIV-1原病毒,以期为HIV-1感染疾病的预防与治疗提供重要研究参考。     

Chemical and optical control of CRISPR-associated nucleases

The clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)–Cas system of bacteria has furnished programmable nucleases (e.g., Cas9) that are transforming the field of genome editing with applications in basic and biomedical research, biotechnology, and agriculture. However, broader real-world applications of Cas9 require precision control of its activity over dose, time, and space as off-target effects, embryonic mosaicism, chromosomal translocations, and genotoxicity have been observed with elevated and/or prolonged nuclease activity. Here, we review chemical and optical methods for precision control of Cas9's activity.     

Large fragment deletion using a CRISPR/Cas9 system in Saccharomyces cerevisiae

Large chromosomal modifications have been performed in natural and laboratory evolution studies and hold tremendous potential for use in foundational research, medicine, and biotechnology applications. Recently, the type II bacterial Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat and CRISPR-associated (CRISPR/Cas9) system has emerged as a powerful tool for genome editing in various organisms. In this study, we applied the CRISPR/Cas9 system to preform large fragment deletions in Saccharomyces cerevisiae and compared the performance activity to that of a traditional method that uses the Latour system. Here we report in S. Cerevisiae the CRIPR/Cas9 system has been used to delete fragments exceeding 30 kb. The use of the CRISPR/Cas9 system for generating chromosomal segment excision showed some potential advantages over the Latour system. All the results indicated that CRISPR/Cas9 system was a rapid, efficient, low-cost, and versatile method for genome editing and that it can be applied in further studies in the fields of biology, agriculture, and medicine.