CRISPR/Cas9系统的发展及其在动物基因编辑中的应用 *

CRISPR/Cas9作为一种新型的基因编辑技术,主要在DNA水平对生物体的遗传信息进行修改,具有强大的基因编辑能力,目前已经被广泛应用于多个领域,包括基因功能研究、构建动物模型、家畜新品种的培育以及基因治疗等。CRISPR/Cas9技术的不断发展为生物学及医学领域的研究带来了革命性的突破,利用该技术构建基因突变小鼠有助于基因功能的研究,对于遗传疾病的治疗等具有重要的参考价值,同时还可以从基因组水平上有效改善家畜动物的生产性能,提高家畜动物的抗病能力。主要介绍了CRISPR/Cas系统的研究历程、结构与分类,详细阐述了CRISPR/ Cas9技术的作用机制及其在动物基因编辑中的应用,探讨了CRISPR/Cas9在基因编辑动物的制备中存在的问题及优化策略,并对其发展前景进行了展望。     

CRISPR/Cas基因编辑系统研究进展

规律性成簇间隔的短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR)的发现和工程技术对生命科学的发展带来巨大的推动作用。RNA引导的Cas(CRISPR-associated)酶已被用作操纵细胞、动物和植物基因组的工具。这加速了基础研究的步伐,并使其在临床和农业上的应用成为可能。CRISPR/Cas9对在实验系统中进行的功能基因组学的研究有重大影响。CRISPR/Cas9系统自发现以来,因其操作便捷、成本低、特异性高、可同时打靶任意数量基因等优点而被广泛应用。经过近几年研究发现,Cas9变异体(Cas12a、Cas13)有利于突破和克服CRISPR/Cas9应用中的一些限制,Cas12a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;Cas13等蛋白能特异性结合和编辑RNA,开启了转录组研究的新篇章。本文主要就CRISPR/Cas的研究背景以及Cas9、Cas12a和Cas13系统研究进展和应用进行综述,并对其应用前景和发展方向进行了展望。     

基于CRISPR/Cas系统的单碱基编辑技术研究进展*

基于CRISPR/Cas系统出现的单碱基编辑技术可以实现高效且简便的单个碱基的替换编辑,其原理是将胞嘧啶脱氨酶(cytosine deaminase)或腺苷脱氨酶(adenosine deaminase)与Cas9n(D10A)形成融合蛋白,通过CRISPR/Cas精准识别和定位DNA上的靶位点后,利用胞嘧啶脱氨酶或腺苷脱氨酶将靶点距离sgRNA位点基序(protospacer adjacent motif,PAM)序列端的4~7位的单个碱基发生单碱基转换或颠换。对基于CRISPR/Cas系统的单碱基编辑技术发现的历史、组成和分类、工作原理进行了概述,并总结了该系统最新进展及应用。     

基于CRISPR/Cas系统的单碱基编辑技术研究进展*

基于CRISPR/Cas系统出现的单碱基编辑技术可以实现高效且简便的单个碱基的替换编辑,其原理是将胞嘧啶脱氨酶(cytosine deaminase)或腺苷脱氨酶(adenosine deaminase)与Cas9n(D10A)形成融合蛋白,通过CRISPR/Cas精准识别和定位DNA上的靶位点后,利用胞嘧啶脱氨酶或腺苷脱氨酶将靶点距离sgRNA位点基序(protospacer adjacent motif,PAM)序列端的4~7位的单个碱基发生单碱基转换或颠换。对基于CRISPR/Cas系统的单碱基编辑技术发现的历史、组成和分类、工作原理进行了概述,并总结了该系统最新进展及应用。     

酵母杂交系统在CRISPR/Cas9基因编辑系统脱靶率研究中的应用*

目的:为提高CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9)靶向性奠定基础,同时证明酵母杂交系统在研究CRISPR/Cas9脱靶效应中的应用价值。方法:以实验室前期构建成功的activase基因编辑水稻株为研究对象,先采用T7核酸内切酶Ⅰ法初步预测30株基因编辑水稻株的脱靶率。随后以酵母杂交系统进一步预测脱靶率以及研究sgRNA结构对脱靶率的影响。首先,将activase靶向基因的标准sgRNA(standard sgRNA)和短sgRNA(truncated sgRNA)分别克隆至CRISPR/Cas9系统表达载体pDW3769中,构建对应的重组载体pHZ2和pHZ4,转化至YPH499酵母单倍体形成重组酵母YpHZ2和YpHZ4;其次,根据脱靶位点预测选择7组脱靶序列A、B、C、D、E、F、G以及靶向序列,分别克隆至包含报告基因mCherry的高拷贝载体pDW3133和低拷贝载体pDW3134,构建相应的高拷贝重组载体pHZ5、pHZ7、pHZ9、pHZ11、pHZ13、pHZ15、pHZ17和pHZ19,以及对应的低拷贝重组载体pHZ6、pHZ8、pHZ10、pHZ12、pHZ14、pHZ16、pHZ18和pHZ20,转化至YPH500酵母单倍体,构建重组酵母YpHZ5-20。随后,重组酵母YpHZ2和YpHZ4与重组酵母YpHZ5-20分别杂交,挑取双倍体酵母菌落,在不同的时间段下检测荧光数值,根据荧光值定量预测脱靶率。结果:酵母培养144~192 h时荧光最为显著,脱靶序列sgRNA与靶向基因sgRNA同源性越高,越易造成脱靶,但短sgRNA较标准sgRNA脱靶率低。根据水稻植株的脱靶检测显示脱靶率约20%,基于酵母杂交的检测结果显示脱靶率为20%~28%。结论:酵母细胞进入稳定期时荧光值最为显著,且与载体的拷贝数量成正比。sgRNA序列以及长短结构可影响CRISPR/Cas9的基因靶向性。两种方法的脱靶率预测结果相当,表明酵母杂交系统在评价CRISPR/Cas9系统的脱靶率以及研究脱靶影响因素中具有良好的应用价值。     

动物基因组编辑中提升CRISPR/Cas9介导的同源重组效率研究进展*

基因组编辑技术可以对DNA或RNA进行精准改造,极大地促进了生命科学的发展。CRISPR/Cas9系统在靶位点诱导DNA发生双链或单链损伤,细胞对损伤部位采用无供体模板的非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)或有供体模板的同源重组(homologous recombination,HR)修复。基于HR的基因组编辑策略通常被用于获得DNA的精准改造,而NHEJ在动物DNA损伤修复中起主导作用。为了提升HR效率,研究人员设计了多种方案,包括CRISPR/Cas9系统优化和DNA修复通路调控等。从DNA损伤修复途径、Cas9变体选择、sgRNA设计、供体模板设计、DNA修复途径相关蛋白功能调控、供体模板募集效率提升、细胞周期调控及编辑细胞生存效率提升等方面详细综述了相关研究成果,发现尚未开发出放之四海而皆准的HR提升策略,基于HR的基因组编辑需要针对具体案例制定个体化策略。旨在为动物基因组编辑中提升CRISPR/Cas9介导的HR效率研究提供理论参考,为动物基因功能分析、基因治疗和经济动物基因编辑育种提供帮助。     

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。     

CRISPR/Cas基因编辑技术在增强子功能分析及鉴定中的研究进展*

增强子是生物体内重要的顺式基因表达调控元件,参与众多生物学过程,与癌症的发生发展及多种疾病的产生紧密相关。虽然基于生物信息学的方法可以对增强子进行鉴定和筛选,然而由于增强子与靶基因的位置和方向不确定,大大增加了深入研究增强子调控机制的难度。近年来,CRISPR/Cas技术的不断发展创新,为揭示和验证增强子的分子机制提供了可操作性。因此,在系统回顾CRISPR/Cas技术的发展过程及在生物学中的应用基础上,重点总结近年来CRISPR/Cas技术在增强子研究中的创新应用,包括不同CRISPR/Cas技术的作用原理及CRISPR/Cas技术如何编辑增强子等,以期为利用CRISPR/Cas技术研究增强子功能机制提供可行性参考。     

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。     

CRISPR/Cas9基因编辑技术在丝状真菌中的应用

随着对丝状真菌基因水平研究的不断深入,CRISPR/Cas9技术作为先进的基因编辑技术,已被广泛应用于丝状真菌的基因编辑。探究了CRISPR/Cas9系统在不同丝状真菌中的应用情况,主要从sgRNA的构建与表达、Cas9蛋白的改造与表达、不同的DNA双链断裂修复（DNA double-strand break,DSB）方式等方面进行概述,并对编辑效率、脱靶效应进行总结,旨在为今后丝状真菌中CRISPR/Cas9系统的构建及改良提供思路。     

CRISPR/Cas9基因组定点编辑中脱靶现象的研究进展

近年来, CRISPR定点编辑技术发展迅猛, 在动物、植物和微生物中均得到广泛应用。其中, 备受关注的脱靶现象也是研究的热点, 迄今已取得了重要进展。该文介绍了脱靶现象的产生原理及体内和体外检测脱靶现象的方法, 评价了通过改进sgRNA设计和优化CRISPR系统等来降低脱靶率的方法。在植物基因组定点编辑过程中, 应适时检测脱靶现象, 提高脱靶检测的精确度和准确度。     

CRISPR/Cas9:基因编辑的新时代

基因编辑技术是通过核酸内切酶对基因组DNA进行定向改造的技术,可以实现对特定DNA碱基的缺失、替换等,常用的四种基因编辑工具分别是:巨型核酸酶、锌指核酸酶、转录激活因子样效应物核酸酶以及CRISPR/Cas9系统.其中CRISPR/Cas9系统作为一种新型的基因组编辑技术具有组成简单、特异性好、切割效率高的优点.该文对...     

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。     

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。     

CRISPR/Cas9基因组编辑技术在番茄中的应用现状及展望北大核心CSCD

CRISPR/Cas9技术是一种能够快速对基因组靶位点进行特定DNA修饰的编辑工具。该文对近年来国内外有关CRISPR/Cas9技术在改善番茄农艺性状及提高生物、非生物胁迫抗性方面的研究进展进行综述,并集中讨论了CRISPR/Cas9面临的一些问题,为该基因编辑技术在番茄的种质创新及基因功能研究方面的应用提供参考。     

基于CRISPR/Cas9基因编辑技术的本科教学实验体系的创建与实践

CRISPR/Cas9是新兴的基因编辑技术,在生命科学研究中发挥着重要的作用。将它引入本科生的实验教学,使本科生了解这项前沿科研技术很有意义。我们创建了一个基于CRISPR/ Cas9技术的本科教学实验体系。该实验体系侧重CRISPR/Cas9技术在哺乳动物细胞中的应用,选用一株基因组上被插入mCherry基因的小鼠胚胎成纤维细胞为实验材料,命名为STO-82。首先设计靶向mCherry的sgRNA,构建CRISPR-Cas9/sgRNA共表达质粒。经测序验证无误后,转染到STO-82细胞。采用流式细胞仪分析检测mCherry阴性和阳性两群细胞,分选出阴性单细胞并扩大培养。最后用测序检验单克隆细胞中靶标DNA序列的编辑情况。结果显示,靶位点有插入或缺失突变,说明体系创建成功。该实验体系将sgRNA设计、CRISPR-Cas9/sgRNA共表达质粒的构建、细胞转染、单细胞分选、单克隆细胞培养、测序序列分析等内容融合为一个综合实验,用于高年级本科生的实验教学。根据实际情况,将教学实践内容分解分块教学,也可以做完整性项目教学。本教学实践采用10人左右的小班分块教学,2人一组,经过3个班（共13组）的实践,绝大部分学生都能完成实验,得到预期结果。通过这个实验,学生加深了对CRISPR/Cas9技术的原理和实验流程的理解,锻炼了实验操作能力和严谨的科研思维,也使学生对该技术的医疗应用风险有了一些认识。