斑马鱼hoxa1a基因调控颅面骨骼发育的功能研究*

hox基因编码一类高度保守的转录因子家族,人类HOXA1的突变会导致阿萨巴斯卡发育不良综合征 (Athabascan brainstem dysgenesis syndrome, ABDS),使人出现因颅骨异常导致的面部畸形和面部麻痹等症状。利用模式生物斑马鱼研究其同源基因hoxa1a的功能机制。首先利用CRISPR/Cas9技术对斑马鱼hoxa1a进行基因编辑,获得了hoxa1a基因突变,T7E1酶切结果显示F₀酶切效率平均为70%。F₁进一步筛选到两种突变类型,分别是插入了8 bp和删除了7 bp的杂合突变体。杂合子自交得到hoxa1a F₂纯合突变体,并且测序验证hoxa1a基因突变成功。5 dpf时,hoxa1a纯合突变体出现颅面发育异常。阿尔新蓝软骨染色和茜素红硬骨染色结果表明,hoxa1a突变体中颅骨发育异常、筛骨板断裂,鳃弓发育出现缺损。成功在斑马鱼中构建ABDS疾病模型,表明hoxa1a突变会造成斑马鱼颅面骨骼发育异常,为其功能机制研究奠定了基础,为人类ABDS疾病的致病机制研究提供了新的思路。     

斑马鱼eomesb基因突变体的构建及其功能分析

Eomesodermin (Eomes)是T-box转录因子基因家族的成员,在脊椎动物胚胎发育、模式形成和形态发生过程中发挥重要作用.斑马鱼(Danio rerio) eomesa基因的一个点突变导致其母源合子突变体胚胎发育延迟而大量死亡,而eomesa合子突变体可正常发育至性成熟,但缺失背鳍.本研究利用CRISPR/Cas9技术构建了斑马鱼eomesa旁系同源基因eomesb的突变体,eomesb纯合突变体不仅可正常发育至性成熟,而且鳍的发育也完全正常.q-PCR和整体原位杂交实验结果显示,eomesa和eomesb在脑部组织具有重叠的表达域,eomesb在中脑的表达略高于eomesa,故推测两基因在脑部可能行使相似的功能,存在一定的功能冗余.对2,4,6 dpf(Days post fertilization)和6 dpf的WT和突变体q-PCR基因表达分析显示,eomesb突变对eomesa的表达没有明显影响.eomesa-/-;eomesb-/-双突变体未出现背鳍缺失以外的附加表型,推测斑马鱼eomesa和eomesb在背鳍发育过程中可能不存在功能冗余,eomesb不参与背鳍的发育过程.此外,整体原位杂交实验结果显示,eomesb突变也不影响其同源基因tbr1a和tbr1b的早期表达.eomesb纯合突变体未观察到明显表型,可能与其影响的功能不引起明显表型有关,也可能与其它基因的遗传补偿效应有关.本研究结果为深入研究斑马鱼eomesb基因的功能提供了实验材料,同时对研究eomesa与eomesb基因功能分化具有参考价值.     

利用CRISPR/Cas9技术敲除dync1h1基因显著影响斑马鱼神经系统发育

细胞质动力蛋白(cytoplasmic dynein)是神经系统内重要的马达蛋白复合体,负责轴浆内重要物质从轴索末端到神经细胞胞体的逆行性运输。重链蛋白二聚体1(dynein 1 heavy chain 1,DYNC1H1)是dynein复合体的核心结构,其是否正常表达与神经系统发育及神经退行性疾病的发生存在密切联系。该研究运用CRISPR/Cas9基因编辑技术在斑马鱼中对dync1h1基因进行敲除,并将dync1h1突变体与转基因鱼Tg(Hu C:m Cherry;FLK1:e GFP)外交,获得带有荧光标记且突变稳定遗传的斑马鱼种系。表型鉴定提示,dync1h1杂合突变斑马鱼发育较野生型斑马鱼无明显异常;而dync1h1纯合突变斑马鱼胚胎正常形态发育受到严重抑制,dync1h1基因表达量及Dync1h1蛋白质含量均有明显下降,脊髓肿胀,脊髓神经细胞数目显著减少,背部血管存在发育畸形,并于受精后5~6d(days post fertilization,dpf)死亡。该研究利用CRISPR/Cas9技术成功建立了dync1h1基因敲除的斑马鱼模型,为dync1h1突变致病机制相关的信号通路或者分子网络间相互作用的探索打下了基础。     

PD-L1基因敲除小鼠构建及初步表型验证

目的 程序性死亡配体-1(PD-L1)是免疫调节途径的重要因子,是抗肿瘤免疫疗法中重要的靶标之一。利用CRISPR/Cas9技术成功构建PD-L1基因敲除小鼠模型,并初步分析其表型。方法 构建Cas9和sgRNA载体,并转录获得RNA,通过显微注射方式将RNA注射到C57BL/6小鼠受精卵中,经过鉴定获得F₀代阳性小鼠。F₀代小鼠与野生型C57BL/6小鼠交配获得F₁代杂合子小鼠,再通过F₁代小鼠自交获得F₂代纯合子小鼠品系。随后通过Real-Time PCR和流式实验分别检测PD-L1基因在mRNA和蛋白质水平上的表达情况。结果 Real-Time PCR和流式实验检测结果显示与野生型C57小鼠相比,PD-L1纯合子小鼠的PD-L1 mRNA相对表达水平和细胞上的蛋白质表达均有显著性下降,仅测定到本底的信号,证实已成功构建PD-L1基因敲除小鼠品系,为PD-L1体内基因功能研究提供了新的小鼠模型。     

利用 CRISPR/Cas9 系统定向编辑黑腹果蝇Osiris24基因

Osiris基因在几丁质沉积过程中表达,可能参与昆虫表皮的发育。本研究利用CRISPR/Cas9 基因编辑系统对Osiris24基因进行编辑,进而观察Osiris24突变体果蝇的性状并且检测Osiris24的表达特征。在Osiris24第1外显子设计2个sgRNA靶位点,插入到pCFD4敲除载体骨架中,同时构建酵母Gal4蛋白序列的供体(donor)载体,将2个载体同时注射到nos-Cas9胚胎中获得G0代转基因果蝇。结果显示,G0代基因编辑阳性率为92.8%,Osiris24纯合突变体在胚胎或1龄幼虫期致死,杂合突变体未观察到可见表型。将阳性G0代雄虫与UAS-GFP雌虫杂交,检测不同龄期和不同组织GFP信号表达情况。结果发现,Osiris24在不同龄期幼虫中均有表达,幼虫期主要在体壁、气管、前肠和后肠高表达,蛹期主要在体壁和翅上表达,推测其在果蝇发育中发挥重要作用,本研究为深入探究Osiris基因功能提供了研究模型。     

文昌鱼Hedgehog基因敲除和突变体表型分析

文昌鱼隶属脊索动物门头索动物亚门,是无脊椎动物到脊椎动物的过渡类群,其躯体结构简单,是研究胚胎发育的理想材料。本文以文昌鱼为实验对象,利用TALEN敲除技术对Hedgehog(Hh)基因在胚胎发育中的功能进行了研究。在文昌鱼Hh基因翻译起始位点下游附近选取TALEN目标位点,根据此序列组装相应TALEN重组质粒,体外合成mRNA,向未受精卵注射mRNA后,经体外受精获得F₀代胚胎。效率分析显示,靶向该基因的TALEN mRNA可导致F₀代胚胎在相应基因组区域发生突变的比例为34%。对部分F₀个体所产配子筛查发现,TALEN引起的突变可进入配子,将其中1尾突变类型为8 bp缺失的雄性个体与野生型雌性配对获得F₁群体,对F₁群体逐尾筛查,从中获得多尾携带8 bp缺失的杂合子;这些杂合子相互配对所产的F₂代胚胎,其中约有1/4个体在幼体早期出现躯体前端和尾向下弯曲、脊索前端腹侧的中胚层组织发育不全,不能开口等;随着幼体生长发育,躯体前端和尾部进一步卷曲,口部仍未形成,左右各形成一个口前窝,内柱和鳃裂位于躯体腹侧,最终因无口摄食而死亡。基因型分析发现,上述畸形胚胎均为Hh纯合突变体,其与杂合子及野生型比例分布符合孟德尔遗传定律,表明这些发育畸型的特征与Hh基因功能缺失有关。     

利用CRISPR/Cas9鉴定玉米发育相关基因ZmCen*

目的: 利用CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9) 系统构建玉米中心蛋白(Centrin)的表达载体,经转化后分析其对玉米生长发育的影响。方法: 针对ZmCen基因的第一个外显子设计sgRNA,将其连入pOMS01-Cas9-ZmCen-sgRNA表达载体,转化农杆菌GV3101后,侵染玉米自交系材料B104的愈伤组织,经继代、诱导、分化成苗,筛选出转基因后代。对T₀代和T₁代基因组DNA进行PCR验证、测序及表型分析。结果: 成功构建ZmCen的表达载体。侵染农杆菌后,PCR测序显示,T₀ 代和T₁ 代突变率分别为 20.13% 和 64.52%,其中T₁ 代的纯合缺失突变率为5%。序列分析表明,ZmCen基因的编辑靶点附近发生了碱基的替换、插入或缺失。经与野生型表型比对发现,ZmCen 突变体T₁代植株出现发育缓慢且雄花序不完全发育表型,纯合突变体植株雄花序则完全不发育。结论: 通过 CRISPR/Cas9技术成功地对玉米ZmCen基因进行了编辑,ZmCen突变体的获得为玉米雄性器官发育相关基因的研究奠定了基础。     

利用CRISPR/Cas9鉴定玉米发育相关基因ZmCen*

目的: 利用CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9) 系统构建玉米中心蛋白(Centrin)的表达载体,经转化后分析其对玉米生长发育的影响。方法: 针对ZmCen基因的第一个外显子设计sgRNA,将其连入pOMS01-Cas9-ZmCen-sgRNA表达载体,转化农杆菌GV3101后,侵染玉米自交系材料B104的愈伤组织,经继代、诱导、分化成苗,筛选出转基因后代。对T₀代和T₁代基因组DNA进行PCR验证、测序及表型分析。结果: 成功构建ZmCen的表达载体。侵染农杆菌后,PCR测序显示,T₀ 代和T₁ 代突变率分别为 20.13% 和 64.52%,其中T₁ 代的纯合缺失突变率为5%。序列分析表明,ZmCen基因的编辑靶点附近发生了碱基的替换、插入或缺失。经与野生型表型比对发现,ZmCen 突变体T₁代植株出现发育缓慢且雄花序不完全发育表型,纯合突变体植株雄花序则完全不发育。结论: 通过 CRISPR/Cas9技术成功地对玉米ZmCen基因进行了编辑,ZmCen突变体的获得为玉米雄性器官发育相关基因的研究奠定了基础。     

Fus在斑马鱼生长发育及两性生长异形中的功能

为研究肉瘤融合基因(fus)在鱼类中的功能, 在斑马鱼中利用CRISPR/Cas9基因突变技术使fus基因产生移码突变。fus-/-纯合突变体斑马鱼发育正常并且完全可育, 但体长和体重在幼鱼和成年阶段都小于野生型斑马鱼。此外, 相较于野生型斑马鱼, fus-/-纯合突变体斑马鱼不存在雌鱼身体比例大于雄鱼的性别异形现象。在fus-/-纯合突变体斑马鱼早期幼鱼发育阶段, 一些生长相关基因包括gh1、ghra、igf1、igf2a、stat5.1和socs6的表达水平显著低于野生型斑马鱼但其运动能力并未受到影响。因此, 不同于fus基因在哺乳动物中的功能, 它在斑马鱼中不参与运动神经元的发育, 但在调节鱼类躯体生长发育与两性生长异形方面有着重要的功能。     

Fus在斑马鱼生长发育及两性生长异形中的功能（英文）

为研究肉瘤融合基因(fus)在鱼类中的功能,在斑马鱼中利用CRISPR/Cas9基因突变技术使fus基因产生移码突变。fus~(-/-)纯合突变体斑马鱼发育正常并且完全可育,但体长和体重在幼鱼和成年阶段都小于野生型斑马鱼。此外,相较于野生型斑马鱼, fus~(-/-)纯合突变体斑马鱼不存在雌鱼身体比例大于雄鱼的性别异形现象。在fus~(-/-)纯合突变体斑马鱼早期幼鱼发育阶段,一些生长相关基因包括gh1、ghra、igf1、igf2a、stat5.1和socs6的表达水平显著低于野生型斑马鱼但其运动能力并未受到影响。因此,不同于fus基因在哺乳动物中的功能,它在斑马鱼中不参与运动神经元的发育,但在调节鱼类躯体生长发育与两性生长异形方面有着重要的功能。     

Pd-1基因敲除小鼠构建及初步表型验证

目的:细胞程序性死亡蛋白(programmed death ligand-1,PD-1)是机体T细胞的免疫检查点,也是肿瘤治疗的重要靶点。采用CRISPR/Cas9技术,利用非同源重组修复引入突变的方式,使基因蛋白读码框移码造成PD-1功能缺失,建立Pd-1基因敲除小鼠模型,为深入探究Pd-1基因功能及作用机制提供基础。方法:针对Pd-1基因2-4号外显子设计并合成2对sgRNA片段,与编码Cas9片段共同体外转录,通过受精卵显微注射方法将两者mRNA混合注射到C57BL/6小鼠受精卵中,经PCR产物测序鉴定获得F0代小鼠,之后与野生型C57BL/6小鼠交配获得F1代杂合子小鼠,F1代小鼠自交即获得F2代纯合子小鼠品系(Pd-1^-/-)。刀豆蛋白(concanavalin A,ConA)刺激Pd-1^-/-小鼠后,通过实时荧光定量PCR和流式细胞技术在mRNA和蛋白水平上分别检测Pd-1^-/-小鼠中Pd-1基因在转录和翻译过程中的表达情况,并通过ELISA方法检测Pd-1^-/-小鼠血清中IL-6、IFN-γ、IL12/IL23及TNF-α等因子的表达水平,初步分析Pd-1通路在T细胞反应调控中的作用机制及对免疫刺激的响应情况。结果:PCR及测序结果表明在小鼠基因组中Pd-1基因2-4号外显子被成功敲除;Real-Time PCR实验和流式检测结果显示:与野生型小鼠相比,Pd-1^-/-小鼠脾、肠系膜淋巴结、胸腺和血液各组织中Pd-1表达水平均显著降低;双抗夹心ELISA测定结果显示:Pd-1敲除后经ConA刺激,血清中IL-6和IFN-γ表达上调。结论:成功构建Pd-1基因敲除小鼠模型。Pd-1缺失能够上调IL-6和IFN-γ对ConA刺激的响应,增加ConA引起的炎症反应,为Pd-1的体内基因功能研究提供了新的小鼠模型和研究思路。     

High resolution genetic and physical mapping of the mouse asebia locus: A key gene locus for sebaceous gland differentiation

The asebia (ab) mutation in the mouse is an autosomal recessive trait with hypoplastic sebaceous glands. As a first step toward cloning the ab gene, we report here the genetic mapping of the ab locus with respect to Chromosome 19 microsatellite markers. 644 backcross progeny were generated by mating (CAST/EiJ × DBA/1LacJ-ab^2J/ab^2J) F₁ heterozygous females and parental ab^2J/ab^2J mutant males. Our results located the ab gene to an interval of 1.6 cM on mouse Chromosome 19 defined by flanking markers D19Mit11 and D19Mit53/D19Mit27, and identified a tightly linked polymorphic marker, D19Mit67, that co-segregates with the mutation in the backcross progeny examined. This places ab locus 4 cM distal to its present position as indicated in Mouse Genome Database at The Jackson Laboratory. We have also mapped a yeast artificial chromosome (YAC) contig in this locus interval which suggests the ab interval to be less than one megabase of DNA.     

Toll样受体4(TLR4)基因剔除小鼠构建及初步表型分析

目的 利用CRISPR/Cas9技术构建Toll样受体4(TLR4)基因敲除小鼠模型,并观察突变小鼠对革兰氏阴性细菌脂多糖(LPS)刺激响应的变化。方法 针对TLR4基因外显子2设计并合成1对sgRNA片段,与编码Cas9的mRNA混合后通过受精卵显微注射方法,建立TLR4基因敲除小鼠,通过繁育获得基因敲除纯合子小鼠(TLR4^-/-小鼠);通过LPS刺激,分析TLR4^-/-小鼠对炎症应激的反应情况,并在分子和病理水平上和野生型对照(WT)进行比较。结果 PCR及测序检测表明TLR4基因外显子2在小鼠基因中被成功敲除;给予LPS刺激后,IL1β、IL6、MyD88、iNOS及TNFa等炎症因子的表达在野生型小鼠的心、肝和肺组织中显著上调,而在TLR4^-/-小鼠中则几乎没有变化;血生化指标显示LPS刺激后WT小鼠血清中的尿素(Urea)和肌酐(Cre)水平显著升高,而TLR4^-/-小鼠刺激前后无显著变化,病理分析同样发现TLR4^-/-小鼠能够抵抗LPS对肾组织的损伤。结论 利用CRISPR/Cas9技术成功构建了TLR4基因剔除小鼠模型,TLR4的缺失能够降低IL1β、IL6、MyD88、iNOS及TNFa炎症因子对LPS刺激的响应,抑制LPS引起的炎症反应及对组织的损伤。     

Further characterization of the phenotype of mCry1/mCry2-deficient mice

Mice lacking cryptochromes (mCry1^-/- mCry2^-/-) were kept in a 16h light, 8h dark, light-dark (16:8 LD) cycle and were given additional pulses of light of different brightness, starting 2h after dark onset and lasting for 1h. The suppression of wheel running during these light pulses (i.e., masking) was compared to that of wild types. No evidence of any decrement in the masking response to light was detected. As well as studying masking, minor bouts of activity occurring in the main light portion of a light-dark cycle were quantified. One possible explanation of such predark activity is that some damped endogenous process is spared in mCry1/mCry2 double-knockout mice. (Chronobiology International, 18(4), 613-625, 2001)     

Studies of mutagenicity and clastogenicity of 5-azacytidine in human lymphoblasts and Salmonella typhimurium

5-Azacytidine (5-AzaC) induced mutation in the TK^+/− human lymphoblastoid line, TK6, at both the thymidine kinase (tk) locus as measured by resistance to trifluorothymidine (F₃TdR), and the hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase (hgprt) locus, as measured by resistance to 6-thioguanine (6TG). F₃TdR^R and 6TG^R mutant fractions induced by 5-AzaC were observed after a normal phenotypic expression time and remained stable. Interestingly, 5-AzaC was 5–10 times more mutagenic at the tk locus than the hgprt locus. However, F₃TdR^R colonies from 5-AzaC-treated cultures behaved like TK-deficient mutants induced by other chemical mutagens.

The TK or HGPRT phenotype had no effect on the toxicity of 5-AzaC, thus eliminating differential toxicity as a potential cause for the observed higher mutability at the tk locus. 5-AzaC did not induce F₃TdR^R cells in the parental TK^+/+ lymphoblastoid line, indicating that 5-AzaC-induced F₃TdR^R variants were not due to a dominant alteration in gene expression. 5-AzaC did not induce chromosomal aberrations in TK6 cells, eliminating clastogenic events as a potential cause for the higher mutability at the tk locus.

5-AzaC was also found to be mutagenic in a forward mutation assay to 8-azaguanine resistance in Salmonella typhimurium.     

Accelerated regeneration of the skeletal muscle in RNF13-knockout mice is mediated by macrophage-secreted IL-4/IL-6

RING finger protein 13 (RNF13) is a newly identified E3 ligase reported to be functionally significant in the regulation of cancer development, muscle cell growth, and neuronal development. In this study, the function of RNF13 in cardiotoxin-induced skeletal muscle regeneration was investigated using RNF13-knockout mice. RNF13^-/- mice exhibited enhanced muscle regeneration —characterized by accelerated satellite cell proliferation —compared with wild-type mice. The expression of RNF13 was remarkably induced in macrophages rather than in the satellite cells of wild-type mice at the very early stage of muscle damage. This result indicated that inflammatory cells are important in RNF13-mediated satellite cell functions. The cytokine levels in skeletal muscles were further analyzed and showed that RNF13^-/- mice produced greater amounts of various cytokines than wild-type mice. Among these, IL-4 and IL-6 levels significantly increased in RNF13^-/- mice. The accelerated muscle regeneration phenotype was abrogated by inhibiting IL-4/IL-6 action in RNF13^-/- mice with blocking antibodies. These results indicate that RNF13 deficiency promotes skeletal muscle regeneration via the effects on satellite cell niche mediated by IL-4 and IL-6.