CRISPR/Cas9在丝状真菌基因组编辑中的应用

丝状真菌(filamentous fungi)通常指那些菌丝体较发达且不产生大型肉质子实体结构的真核微生物。丝状真菌不仅在自然界物质循环中发挥着重要作用,还与人类健康和工农业生产有着紧密的联系。然而,对丝状真菌进行遗传操作相对困难,极大地妨碍了丝状真菌的遗传学研究。成簇的规律间隔的短回文重复序列及其相关系统(clustered regulatory interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9, CRISPR/Cas9)是近年来发现的一种存在于细菌和古菌中保守的获得性免疫防御机制。最近,CRISPR/Cas9被开发成为了一种方便灵活的基因组编辑技术。目前,该技术已经广泛应用在不同物种的基因组编辑中。本文概述了CRISPR/Cas9在丝状真菌基因组编辑中的应用进展,旨在为开展该领域的研究工作提供参考。     

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系统在基因组DNA片段编辑中的应用

源于细菌和古菌的Ⅱ型成簇规律间隔短回文重复系统[Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated nuclease 9 (Cas9),CRISPR/Cas9]近年被改造成为基因组定点编辑的新技术。由于它具有设计简单、操作方便、费用低廉等巨大优势,给遗传操作领域带来了一场革命性的改变。本文重点介绍了CRISPR/Cas9系统在基因组DNA片段靶向编辑方面的研究和应用,主要包括DNA片段的删除、反转、重复、插入和易位,这一有效的DNA片段编辑方法为研究基因功能、调控元件、组织发育和疾病发生发展提供了有力手段。本文最后展望了Ⅱ型CRISPR/Cas9系统的应用前景和其他类型CRISPR系统的应用潜力,为开展利用基因组DNA片段靶向编辑进行基因调控和功能研究提供参考。     

CRISPR/Cas9介导的基因组定点编辑技术在丝状真菌中的研究进展

CRISPR/Cas9技术是在特定的RNA引导下,利用特异的核酸酶实现对基因组进行编辑的新技术。自2013年该技术体系建立起来已成功应用于动物、植物及真菌中。本文简述了3种基于核酸酶的基因编辑技术及其应用,概述了CRISPR/Cas9系统的组成及其作用机理,总结了CRISPR/Cas9在模式真菌酿酒酵母及丝状真菌中的应用,并就在丝状真菌中应用该技术时sg RNA表达盒的设计、Cas9表达盒的优化、抗性标记的筛选、受体的选择等方面提出具体的研究方法。另外,针对该技术应用过程中出现的脱靶效应、Cas9核定位信号的添加、启动子的选择及多个靶基因的编辑等问题提出了建议与展望,希望能够为初次涉足该领域的科研人员提供理论参考和技术支持。     

快速构建CRISPR/Cas9基因组靶向编辑系统

CRISPR/Cas9核酸酶作为一种新的基因组靶向编辑技术,已成功应用于多种动植物基因组修饰研究. CRISPR/Cas9作用后的阳性细胞筛选和富集是该技术的关键之一. 本研究以鸡EAV-HP（endogenous avian retrovirus-HP）基因和MSTN（myostatin）基因为例,从靶位点的选择、表达载体构建、双基因报告载体构建和核酸酶活性验证4个方面,系统研究了CRISPR/Cas9核酸酶技术平台. 结果表明,利用寡聚核苷酸直接退火方法,构建表达载体和报告载体的阳性率分别高达100%和89.5%. 报告载体的PuroR（puromycin resistant gene）和eGFP（enhanced green fluorescent protein）基因的成功表达表明,构建的CRISPR/Cas9系统能有效切割靶序列,并用于后续阳性克隆的筛选和富集. 本方法摒弃了传统分子克隆的PCR扩增和酶切处理目标基因的方法,而是利用寡聚核苷酸直接退火获得含有黏性末端的目标DNA,简化了载体构建过程,低成本且快速获得CRISPR/Cas9基因组靶向编辑系统.     

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系统在昆虫中的应用

CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeat/CRISPR-associated nuclease 9)技术是一种RNA引导的基因组靶向编辑技术,能对基因组序列进行精确编辑,在探究基因功能、修复受损基因、沉默有害基因、改良品质性状等方面具有广阔的应用前景。近年来,随着对CRISPR/Cas9系统研究的不断深入和改造,该系统以其操作简易、省时、高效等优点在生物学研究的众多领域中得以推广和应用,特别是在果蝇(Bombyx mori)、家蚕(silkworm)、埃及伊蚊(Aedes aegypti)和蝴蝶(butterfly)等多种昆虫中。本文概述了CRISPR/Cas9的结构、作用原理及发展优化,总结了CRISPR/Cas9导入昆虫的策略和在昆虫中的应用,以及对CRISPR/Cas9系统产生脱靶问题的应对策略,以期对经济昆虫和有益昆虫的分子育种、害虫的生物技术防控等研究提供参考。     

CRISPR/Cas9技术在微生物研究中的应用进展

CRISPR(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)/Cas(CRISPR associated proteins)系统是在细菌和古生菌中发现的一种RNA指导的降解入侵病毒或质粒DNA的适应性免疫系统。由II型CRISPR/Cas系统改造而成的CRISPR/Cas9技术已经被开发成一种强大的基因组编辑和表达调控工具,并且广泛应用于基因功能研究、代谢工程和合成生物学等领域。本文从CRISPR/Cas9系统的发现过程、分类、作用原理、在微生物研究中的应用进展等方面进行总结,并展望了该技术的应用前景。     

CRISPR/Cas9基因组编辑技术在农业动物中的应用

CRISPR(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)/Cas(CRISPR associated proteins)是在细菌和古细菌中发现的一种用来抵御病毒或质粒入侵的获得性免疫系统.目前已发现的CRISPR/Cas系统包括Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ型,其中Ⅱ型系统的组成较简单,由其改造成的CRISPR/Cas9技术已成为一种高效的基因组编辑工具.自2013年CRISPR/Cas9技术成功用于哺乳动物基因组定点编辑以来,应用该技术进行基因组编辑的报道呈现出爆发式的增长.农业动物不仅是重要的经济动物,也是人类疾病和生物医药研究的重要模式动物.本文综述了CRISPR/Cas9技术在农业动物中的研究和应用进展,简述了该技术的脱靶效应及减少脱靶的主要方法,并展望了该技术的应用前景.     

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。     

Functional characterization of SlitPBP3 in Spodoptera litura by CRISPR/Cas9 mediated genome editing

Functional gene analysis by using genome editing techniques is limited only in few model insects. Here, we reported an efficient and heritable gene mutagenesis analysis in an important lepidopteran pest, Spodoptera litura, using the CRISPR/Cas9 system. By using this system, we successfully obtained the homozygous S. litura strain by targeting the pheromone binding protein 3 gene (SlitPBP3), which allowed us to elucidate the role of this gene in the olfaction of the female sex pheromones. By co-injection of Cas9 mRNA and sgRNA into S. litura eggs, highly efficient chimera mutation in SlitPBP3 loci was detected both in injected eggs (39.1%) and in the resulting individual moths (87.5%). We used the mutant moths as parents to obtain the G1 offspring and the homozygous mutant strain in G2. The function of SlitPBP3 was explored by Electroantennogram (EAG) recordings with a homozygous mutant strain. The result showed that the EAG responses were significantly decreased in mutant males than in control males when treated with the major sex pheromone component (Z9,E11-14:Ac) and a minor component (Z9-14:Ac) at higher dosages. The results demonstrate that s SlitPBP3 gene plays a minor role in the perception of the female sex pheromones. Furthermore, our study provides a useful methodology with the CRISPR/Cas9 system for gene in vivo functional study, particular for lepidopteran species in which the RNAi approach is not efficient.     

CRISPR/Cas9-mediated genome editing assists protein dynamics studies in live cells

Spatial and temporal regulation of molecular reactions dictates cell fate. Thus, studying molecular dynamics is essential to understand how cells decide what to do and the fundamental perturbations causing disease. Classically, molecular dynamics has been studied by protocols based in the overexpression of fluorescent fusion proteins. However, overexpression is associated to altered stoichiometry, molecular dynamics and subcellular distribution. We here discuss the necessity to study molecular dynamics of fluorescent fusion proteins expressed under physiological mechanisms in the cell, pointing to CRISPR/Cas9-mediated genome editing as the ideal means to do so. Current genome editing protocols enable us to study molecular dynamics while avoiding drawbacks associated to overexpression.     

利用CRISPR/Cas9技术构建CTCF蛋白降解细胞系

CTCF是脊椎动物关键的绝缘子蛋白,在细胞生命过程中发挥重要作用,敲除CTCF基因会导致小鼠胚胎死亡。为进一步探讨CTCF的功能,本文利用CRISPR/Cas9介导的同源重组,在内源性CTCF表达框上游敲入一个有丝分裂期降解结构域(Mitosis-special degradation domain, MD),该结构域可以带动CTCF融合蛋白在M期降解。作为对照,将MD结构域的第42位的精氨酸突变为丙氨酸,形成无降解活性的MD^*,可使MD^*-CTCF融合蛋白始终稳定存在。将嘌呤霉素与融合蛋白同时表达,即可利用抗生素筛选,高效地筛选到纯合克隆。利用蛋白印迹技术和免疫荧光检测3种细胞在不同细胞周期的CTCF蛋白变化情况,发现MD-CTCF细胞系CTCF蛋白含量约为野生型细胞的10%,MD^*-CTCF细胞系的CTCF含量与野生型没有显著差别;通过流式细胞术观测降解CTCF对细胞的影响,发现MD-CTCF细胞系G1期明显延长。总之,利用CRISPR/Cas9技术在CTCF表达框上游高效地插入MD,首个CTCF特异性降解的人类细胞系获得成功构建。     

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。