家蚕CRISPR/Cpf1基因编辑系统建立

自CRISPR/Cas9基因编辑系统成功应用于模式生物以来,因其快速、高效、便捷等特点,广泛应用于基因功能研究、基因治疗和基因工程等研究领域。与此同时,CRISPR/Cas系统不断在微生物界的发现也加速了新的基因编辑工具的不断涌现。CRISPR/Cpf1是第二类 (Ⅴ型) 能够编辑哺乳动物基因组的CRISPR系统,相比于CRISPR/Cas9基因编辑系统,能够利用5′T-PAM富集区增加基因组覆盖率,具有其切割位点为粘性末端和更不易同源重组修复等诸多优势。基于此,本研究构建了能够在家蚕细胞表达的3个不同来源的CRISPR/Cpf1 (AsCpf1、FnCpf1和LbCpf1) 表达载体,选择高度保守的家蚕热休克蛋白基因BmHSP60和家蚕ATP酶家族BmATAD3A基因分别设计靶标gRNA,构建gHSP60-266R和gATAD3A-346R基因编辑载体。通过T7E1酶切分析和T克隆测序,鉴定3个Cpf1基因编辑系统AsCpf1、FnCpf1和LbCpf1对靶标基因BmHSP60和BmATAD3A的编辑效率。同时,利用Western blotting分析不同基因编辑系统敲除靶基因后对其BmATAD3A和BmHSP60蛋白翻译的影响。本研究成功构建了家蚕CRISPR/Cpf1基因编辑系统,能够在家蚕细胞中有效编辑家蚕基因组,为家蚕基因功能研究、基因工程和遗传育种开发了新技术与新方法。     

基因编辑技术最新研究进展

基因编辑是一种对基因组及其转录产物进行定点修饰、定向敲除或插入目的基因的基因编辑技术。近年来,基因编辑技术发展日新月异,不仅极大的推动了基因功能研究进程,同时为人类遗传疾病的治疗带来了曙光。综述了CRISPR/Cas9、CRISPR/Cpf1、Ago/g DNA和SGN等技术的作用原理、优缺点、应用等,以期为相关领域的研究提供参考。     

基因组编辑对酿酒酵母DNA的损伤作用及修复响应

【目的】为了研究基因组编辑工具CRISPR/Cas9和CRISPR/Cpf1所产生的DNA双链断裂(DNA doublestrandbreak,DSB)对酿酒酵母DNA的损伤作用及修复响应情况,对比化学物质甲基磺酸甲酯(methyl methanesulfonate,MMS)对酿酒酵母基因组DNA的损伤和修复,阐明编辑细胞在细胞水平和转录水平上的变化。【方法】起始细胞分为两种情况,包括未进行细胞周期同步化和被α-因子同步化细胞周期至G0/G1期。检测CRISPR/Cas9和CRISPR/Cpf1处理后编辑细胞的生长情况。利用流式细胞术检测编辑细胞的细胞周期延滞的情况。利用荧光定量PCR检测编辑细胞和MMS处理细胞后DNA损伤响应关键基因转录表达水平的变化情况。【结果】起始细胞无论是未同步化还是同步化,其生长均受到基因组编辑抑制,细胞存活率降低,细胞周期被滞留在G2/M期,而MMS处理导致细胞周期S期的滞留。此外,随编辑时间的延长,突变率增加,细胞存活率降低。CRISPR/Cpf1编辑细胞的突变率和存活率均低于CRISPR/Cas9,由此可见,CRISPR/Cpf1对细胞的损伤强度高于CRISPR/Cas9。两种编辑均诱导酵母DNA损伤响应关键基因RNR3及HUG1转录水平显著上调,并且CRISPR/Cpf1介导的上调幅度大于CRISPR/Cas9,但两者均低于MMS的处理。【结论】本研究解析了CRISPR/Cas9和CRISPR/Cpf1介导的基因组编辑在细胞水平和转录水平上对DNA损伤作用及修复响应,初步揭示了酿酒酵母应对不同类型的DSB损伤时响应程度的差异,为提高基因组编辑工具的编辑能力和评估基因编辑安全性提供了重要依据。     

基因编辑技术在莱茵衣藻中的应用进展

基因编辑技术已经成为功能基因组学和作物分子育种精准且有力的工具。莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii,简称衣藻)是光合作用、黑暗异养代谢、厌氧代谢和生物制氢、营养和能量代谢等研究领域的重要模式生物。近20年来,基因编辑技术,如锌指核酸酶(ZFNs)、转录激活物样效应物核酸酶(TALENs)、CRISPR/Cas9和CRISPR/Cpf1等的发展,更加推动了以衣藻为模式生物的研究。现对衣藻中的核基因组靶向基因编辑技术的应用及最新研究进展等进行总结,以期为衣藻相关领域的研究提供参考。     

基因编辑技术及其在畜牧业中的应用研究进展

基因编辑技术为畜牧业进行新型分子育种开创了新天地,传统的转基因技术由于整合位点不可控、遗传不稳定等因素而难以在畜牧业发挥作用。胚胎干细胞(ES细胞)和同源重组(HR)相结合可以做到定点整合、稳定遗传,但因为畜禽干细胞难以获得而无法推广。以锌指核酸酶(ZFN)、TALEN和CRISPR/Cas9为代表的新型基因编辑技术结合体细胞核移植(SCNT)以及显微注射技术,为畜禽遗传改良开辟了新思路。本综述了ES结合HR的传统基因编辑技术和ZFN、转录激活因子样效应物核酸酶(TALEN)和成簇有规律间隔的短回文重复序列(CRISPR)以及其相关蛋白(Cas9,Cpf1)的研究及其在畜禽基因编辑中的应用进展。     

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。     

基因编辑新技术最新进展

借助基因编辑技术精准编辑植物基因组,得到性状优良、产量高的农作物种质是目前作物分子育种研究的主要趋势。目前主要的CRISPR/Cas9系统是由产脓链球菌的获得性免疫防御系统改编而来,该系统以其编辑高效、操作方便、成本低廉等明显优势在基因编辑技术中脱颖而出,广受青睐。利用CRISPR/Cas技术编辑作物基因组,能精确引入和改良目标性状,为作物遗传育种提供新途径。当前, CRISPR/Cas9技术在拟南芥、水稻、土豆、玉米等植物中得到普遍应用。该文简要阐述了锌指核酸酶、转录因子激活样效应物核酸酶以及CRISPR/Cas9系统的结构、作用机制及差异,重点综述CRISPR/Cas9系统目前在植物中的应用、其改良的CRISPR/Cpf1技术以及该系统相比于其他核酸酶的优势与局限性。     

植物CRISPR基因组编辑技术的新进展

在过去的4年中,CRISPR/Cas9基因组编辑技术成为生命科学领域的革命性工具,为植物学基础研究和农作物遗传改良提供了高效、快速而又廉价的遗传操作工具。利用CRISPR/Cas9系统可以实现精准的knock-out和knock-in等遗传操作,也可用于靶向激活或抑制基因的表达。在CRISPR/Cas9被广泛地用于基因组编辑的同时,它的编辑能力、效率和精确度也在不断地改进和完善,特别是CRISPR/Cpf1系统的发掘和单碱基编辑技术的创建,使CRISPR系统正逐步成为一个理想的遗传工程技术平台。此外,利用CRISPR/Cas9技术改良的农作物品种也已经涌现,这必将推动精准基因组编辑技术在农作物遗传改良中的应用和发展。     

谷氨酸棒状杆菌CRISPR-Cpf1和Cre/loxP基因敲除技术的比较

【背景】谷氨酸棒状杆菌的基因敲除系统较为匮乏且效率不高,难以对其进行代谢工程改造,不利于高性能工业菌株的构建及规模生产。【目的】分别采用CRISPR-Cpf1和Cre/loxP基因敲除系统对谷氨酸棒状杆菌ATCC13032(CorynebacteriumglutamicumATCC13032)基因组上的argR和argF基因进行敲除,比较两种敲除方法的优缺点,为合理选择敲除系统提供依据。【方法】特异性重组的Cre/loxP敲除系统是首先利用同源重组将基因组上的靶基因替换为两端带有重组位点loxP的kanR片段,然后由重组酶Cre识别loxP位点并发生重组反应,从而去除替换到基因组上的kanR片段,进一步利用质粒的温敏特性将其消除,从而实现靶基因的敲除。CRISPR-Cpf1敲除系统是利用Cpf1对pre-crRNA进行加工,形成的成熟crRNA引导Cpf1识别和结合到靶DNA的特定序列上并切割双链DNA分子,通过同源重组作用去除靶基因,基于质粒自身的温敏特性将其消除,从而完成基因敲除的整个过程。【结果】Cre/lox P系统可在8N+2 d内完成N轮迭代基因敲除,而CRISPR-Cpf1系统可在5N+2d内完成N轮迭代基因无痕敲除,理论上还可以一次对多个靶位点进行编辑,效率更高,但存在同源重组效率较低、假阳性率高等缺点。【结论】与Cre/loxP系统相比,CRISPR-Cpf1辅助的同源重组基因敲除方法可省时、省力地实现基因的无痕敲除,理论上还可实现多个基因的同时敲除、总体效率更高,然而编辑效率还有提高的空间。     

酿酒酵母基因编辑技术研究进展

酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae是代谢工程中最重要的宿主之一,先进的基因编辑技术已经被广泛应用于酿酒酵母细胞工厂的设计和构建。随着基因编辑技术的飞速发展,早期基于重组酶和同源重组的基因编辑技术逐渐被新型基因编辑系统所替代。文中对酿酒酵母基因编辑技术的原理和应用进行了总结,包括经典的酿酒酵母基因编辑技术,基于核酸内切酶的MegNs、ZFNs和TALENs等基因组编辑系统,最后介绍和讨论了基于CRISPR/Cas系统、异源代谢途径多拷贝整合和基因组规模基因编辑的最新研究进展,并对酿酒酵母基因编辑技术的应用前景和发展方向进行了展望。     

Generation of targeted mutant rice using a CRISPR‐Cpf1 system

CRISPR‐Cpf1 is a newly identified CRISPR‐Cas system, and Cpf1 was recently engineered as a molecular tool for targeted genome editing in mammalian cells. To test whether the engineered CRISPR‐Cpf1 system could induce the production of rice mutants, we selected two genome targets in the OsPDS and OsBEL genes. Our results show that both targets could be efficiently mutated in transgenic rice plants using CRISPR‐Cpf1. We found that pre‐crRNAs with a full‐length direct repeat sequence exhibited considerably increased efficiencies compared with mature crRNAs. In addition, the specificity and transmission of the mutation were investigated, and the behaviours of crRNA‐Cpf1‐induced plant targeted genome mutagenesis were assessed. Taken together, our results indicate that CRISPR‐Cpf1 expression via stable transformation can efficiently generate specific and heritable targeted mutations in rice and thereby constitutes a novel and important approach to specific and precise plant genome editing.     

基于CRISPR/dCpf1的氧化葡萄糖酸杆菌转录抑制系统的构建与应用

氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter oxydans)因具有快速不完全氧化糖醇化合物的能力而被广泛应用于工业中.然而,适用于氧化葡萄糖酸杆菌的基因编辑工具较为缺乏,科研人员对其进行代谢改造受到很大的限制.近年来,规律成簇间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced shor...     

基于CRISPR/Cas系统的生物传感策略研究进展

CRISPR/Cas9系统是继锌指核酸内切酶、类转录激活因子效应物核酸酶之后的第三代基因组定点编辑工具,因其具有特异性切割双链DNA的能力,被广泛应用于基因编辑、生物传感等领域。Cas12a(Cpf1)、Cas13a(C2c2)等蛋白"附属切割"活性的发现,拓展了CRISPR/Cas系统在生物传感中的应用。近年来,研究人员开发出一系列快速、超敏、高特异性的生物传感系统用于分子检测,如SHERLOCK,DETECTR等。本文主要综述了基于CRISPR/Cas系统的生物传感策略的研究进展,并展望了其未来发展的方向。     

Data Comparison and Software Design for Easy Selection and Application of CRISPR-based Genome Editing Systems in Plants

CRISPR-based genome editing systems have been successfully and effectively used in many organisms. However, only a few studies have reported the comparison between CRISPR/Cas9 and CRISPR/Cpf1 systems in the whole-genome applications. Although many web-based toolkits are available, there is still a shortage of comprehensive, user-friendly, and plant-specific CRISPR databases and desktop software. In this study, we identified and analyzed the similarities and differences between CRISPR/Cas9 and CRISPR/Cpf1 systems by considering the abundance of proto-spacer adjacent motif (PAM) sites, the effects of GC content, optimal proto-spacer length, potential universality within the plant kingdom, PAM-rich region (PARR) inhibiting ratio, and the effects of G-quadruplex (G-Q) structures. Using this information, we built a comprehensive CRISPR database (including 138 plant genome data sources, www.grapeworld.cn/pc/index.html), which provides search tools for the identification of CRISPR editing sites in both CRISPR/Cas9 and CRISPR/Cpf1 systems. We also developed a desktop software on the basis of the Perl/Tk tool, which facilitates and improves the detection and analysis of CRISPR editing sites at the whole-genome level on Linux and/or Windows platform. Therefore, this study provides helpful data and software for easy selection and application of CRISPR-based genome editing systems in plants.     

Activities and specificities of CRISPR/Cas9 and Cas12a nucleases for targeted mutagenesis in maize

CRISPR/Cas9 and Cas12a (Cpf1) nucleases are two of the most powerful genome editing tools in plants. In this work, we compared their activities by targeting maize glossy2 gene coding region that has overlapping sequences recognized by both nucleases. We introduced constructs carrying SpCas9‐guide RNA (gRNA) and LbCas12a‐CRISPR RNA (crRNA) into maize inbred B104 embryos using Agrobacterium‐mediated transformation. On‐target mutation analysis showed that 90%–100% of the Cas9‐edited T0 plants carried indel mutations and 63%–77% of them were homozygous or biallelic mutants. In contrast, 0%–60% of Cas12a‐edited T0 plants had on‐target mutations. We then conducted CIRCLE‐seq analysis to identify genome‐wide potential off‐target sites for Cas9. A total of 18 and 67 potential off‐targets were identified for the two gRNAs, respectively, with an average of five mismatches compared to the target sites. Sequencing analysis of a selected subset of the off‐target sites revealed no detectable level of mutations in the T1 plants, which constitutively express Cas9 nuclease and gRNAs. In conclusion, our results suggest that the CRISPR/Cas9 system used in this study is highly efficient and specific for genome editing in maize, while CRISPR/Cas12a needs further optimization for improved editing efficiency.