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...     

基因组编辑技术在昆虫功能基因组研究中的应用

基因组编辑技术是在生物基因组水平上对靶标序列进行定点编辑的一种重要手段。近年来,锌指核酸酶技术(ZFNs)、类转录激活因子核酸酶技术(TALENs)、成簇且规律间隔的短回文重复序列和相关Cas蛋白的DNA核酸内切酶系统(CRISPR/Cas)等基因组编辑技术的相继问世,为功能基因组的研究提供了有效的实验手段。这3种基因组编辑技术的基本工作原理都是通过定点切割基因组DNA双链,从而诱导内源性的修复机制产生定点突变。通过介绍这3种技术的国内外研究现状及发展趋势探讨了基因组编辑技术在昆虫科学中的应用发展前景。     

CRISPR/Cas9系统在疾病研究和治疗中的应用

基因组编辑技术(Genome editing technology)是一种通过人工手段在基因组水平对DNA序列进行改造的遗传操作技术,包括特定DNA片段的插入、敲除、替换和点突变.其中,依赖核酸酶的基因组编辑技术的基本原理是在基因组的特定位置产生双链DNA断裂(Double-stranded break,DSB)后通过...     

人工核酸酶介导的基因组编辑技术

传统的基因组编辑技术是基于胚胎干细胞和同源重组实现生物基因组定向改造,但是该技术打靶效率低,严重制约了生命科学以及医学的研究.因此,研究新的基因组编辑技术十分重要.人工核酸酶介导的基因组编辑技术是通过特异性识别靶位点造成DNA双链断裂,引起细胞内源性的修复机制实现靶基因的修饰.与传统的基因组编辑技术相比,人工核酸酶技术打靶效率高,这对于基因功能的研究、构建人类疾病动物模型以及探索新型疾病治疗方案有着重要的意义.人工核酸酶技术有3种类型：锌指核酸酶(ZFN)、类转录激活因子核酸酶(TALEN)及规律成簇的间隔短回文重复序列(CRISPR).本文将对以上3种人工核酸酶技术的原理以及在生命科学和医学研究的应用进行综述.     

CRISPR/Cpf1单碱基编辑系统的构建及应用

作物的优良性状往往来自于其相应基因的单个碱基突变,而传统育种无法轻易获得此种定向单碱基变异。单碱基编辑技术是以成簇规律间隔短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR?associated proteins,CRISPR/Cas）系统为基础改良的一项基因编辑技术,该技术可在不造成DNA双链断裂的情况下对靶序列上的特定碱基进行定向替换。为拓展单碱基编辑技术在作物中的识别范围,利用来自Francisella novicida细菌的FnCpf1核酸酶及胞嘧啶脱氨酶APOBEC1对单碱基编辑系统进行改良,并针对玉米BT2基因靶位点构建相应载体,通过瞬时转化手段检测其编辑能力。检测结果发现9种碱基变化类型,其中靶位点5′端第11个碱基的胞嘧啶转化为腺嘌呤,位点编辑效率达到2.5%。结果表明该系统能够识别“TTN”作为原型间隔序列毗邻基序（protospacer?adjacent motif,PAM）并对靶位点进行单碱基编辑,为单碱基编辑识别范围的拓展提供了研究思路。     

序列特异性核酸酶及其在植物基因组定向修饰中的应用

通过对基因组特定区域进行精确定向遗传修饰,一方面可以针对目标序列进行精确突变,获得突变材料,对目标基因功能进行明确鉴定;另一方面可以进行目标序列的精确置换或插入,将外源基因随机导入造成的表达及遗传的不确定性降至最低。传统的基因定向修饰技术仅依赖于细胞自身的同源重组,修饰效率低下,而且还存在位置效应和遗传不稳定等诸多问题。通过引入序列特异性核酸酶（sequence—specificnucleases,SSN）,可以在基因组特定位点造成DNA双链断裂（doublestrandbreak,OSB）,促进依赖于细胞内源“同源重组”及“非同源末端连接”的DNA修复事件的定向发生,实现基因组定向遗传修饰效率的大幅提升。迄今为止,在基因组定向遗传修饰研究及应用领域,已经有多种不同类型的序列特异性核酸酶被有效使用,在多种生物中实现了不同类型的基因组定向遗传修饰。该文首先综述了SSN的结构特征及技术原理,然后对SSN技术在植物基因组定向遗传修饰中的研究进展和应用前景进行了重点介绍。     

毕赤酵母胞嘧啶碱基编辑器的设计与功能评价

【目的】在巴斯德毕赤酵母（Pichia pastoris）中建立一套分子靶向突变系统，为毕赤酵母的基因工程改造提供高效的编辑工具。【方法】基于规律成簇的间隔短回文重复序列/Cas9核酸酶（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/Cas9 nuclease，CRISPR/Cas9）技术，设计并构建nCas9与胞苷脱氨酶融合表达的胞嘧啶碱基编辑器（cytosine base editor，CBE），并选择酵母基因组中富含碱基C的一段序列作为靶标以评价CBE的碱基编辑功能。电转化酵母后，利用高通量测序技术分析CBE的编辑效率及编辑模式，并进一步探究连接肽长度、融合蛋白相对位置和gRNA靶向序列（即spacer）长度等因素对CBE功能的影响。【结果】nCas9与PmCDA1融合组成的CBE能够实现毕赤酵母基因组碱基C的高效编辑。当连接肽长度为（GGGGS）₁₀时，CBE的编辑效率最高，编辑窗口位于前间隔序列邻近基序（protospacer adjacent motif，PAM）远端的C20–C14之间，其中C18的编辑效率可达85.1%。nCas9与PmCDA1相对位置的改变对CBE的编辑效率和编辑模式的影响不大。而gRNA靶向序列长度影响着CBE的编辑效率，且gRNA靶向序列长度不能低于17 nt，但19–23 nt之间均可引导CBE对基因组的高效编辑。【结论】本研究在巴斯德毕赤酵母中构建了一套具有高效碱基编辑活性的胞嘧啶碱基编辑器，为基于毕赤酵母的基础和应用研究提供了工具支持。     

基因组编辑技术研究进展

利用基因组编辑技术可以对生物基因组特定位点进行人工修饰,研究相关基因的功能,进而应用于基础研究和临床治疗方面。序列特异性的DNA结合结构域与非特异性的DNA修饰结构域组合而成的人工酶是基因组编辑工具的重要组成部分。主要介绍了锌指核酸酶(ZFNs)、转录激活样效应因子核酸酶(TALEN)、归巢核酸内切酶(Meganucleases)和成簇间隔短回文重复(CRISPR)4种基因组编辑技术的特点、原理、构建方法及应用,为相关的研究和应用提供参考。     

精准高效外源DNA整合技术研究进展

精准高效整合技术是将外源DNA片段插入到目的细胞基因组特定位置的一项转基因技术。早期通过细胞基因组与外源DNA同源序列发生重组来完成靶向整合的目的。伴随基因编辑技术发展,特别是CRISPR/Cas9技术的出现,精准高效的外源DNA整合技术日益成熟,广泛应用到功能基因组学、转基因动物及遗传疾病治疗的研究中。围绕基因编辑研究进展、引导RNA修饰技术、单碱基整合技术、转座子技术和外源DNA整合效率等方面对精准靶向和高效整合技术进行综述。     

CRISPR-Cas系统在植物基因组编辑中的研究进展

基因组定点编辑技术是研究基因功能和生物体改造的重要工具。CRISPR-Cas(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats and CRISPR-associated proteins)系统是近年来发展的一种新型基因组编辑技术,该技术通过一段向导RNA和配套的核酸酶就可对特定的基因组序列进行定点编辑,具有简单高效、应用广泛的特点,受到了生物学家的广泛关注。本文着重介绍CRISPR-Cas系统在植物中的研究进展,包括CRISPR-Cas9系统在植物中的应用与完善、扩大基因组编辑范围的研究、Cas9切口酶和失活酶的拓展、特异性单碱基突变编辑系统的研究、无外源DNA污染的植物基因编辑技术的发展以及基因组编辑技术在作物育种上的应用等方面。同时也提出了还需解决的问题,并展望了基因组编辑系统在作物育种中的应用前景,为开展这一领域的研究工作提供参考。     

基因组编辑产品的安全管理

基因组编辑技术是指利用特异性核酸酶的定点剪切活性与细胞内源DNA损伤修复活性,在基因组水平上对目的核酸序列或单个核苷酸进行定点修饰的基因工程技术,该技术可以对生物体基因组进行精确敲除、插入、单碱基突变或置换等编辑。目前,基因组编辑技术具有精确性、高效性及易操作性,应用范围日益扩大。文中简要概述了3种主要的基因组编辑技术工具及基因组编辑类型,介绍了美国、欧盟等国家和地区对基因组编辑产品的监管体制。同时,基于我国对转基因产品的安全管理原则与体系,初步提出了基因组编辑产品的安全管理思路。根据中间材料或产品中是否含有外源编辑酶蛋白基因成分对基因组编辑产品进行分类管理,含有外源编辑酶的材料应按现有转基因安全管理办法进行管理;中间材料或产品中不含有Cas9等编辑酶的材料应根据被编辑位点的特征进行具体分类管理。     

基因组编辑技术及其在昆虫遗传转化中的应用

锌指核酸酶、类转录激活因子式核酸酶和CRISPR/Cas技术是近几年发展起来的3种主要基因组编辑技术,其原理都是通过在生物基因组特定位点制造DNA双链断裂损伤,从而激活机体自身的DNA损伤修复机制,在此过程中引发各种变异。基因组编辑技术已在研究基因功能和基因修复中成功应用,基于基因组编辑技术的诸多优点,如CRISPR/Cas技术能对基因组中多个特定位点进行编辑,其有望成为昆虫遗传转化的主要策略。本文就锌指核酸酶、类转录激活因子式核酸酶和CRISPR/Cas技术的基本原理及其在昆虫中的应用做一简介,为今后利用基因组编辑技术进行昆虫遗传转化提供些许参考。     

基因组编辑技术及其在昆虫研究中的应用

基因组编辑技术是进行功能基因组研究的重要工具．锌指核酸酶技术（ZFNs）、类转录激活因子核酸酶技术（TALENs）以及CRISPR／Cas技术是近年来发展起来的3种主流基因组编辑技术．这3种基因组编辑技术的原理都是通过在生物基因组特定位点制造DNA断裂损伤,从而激活机体自身的DNA损伤修复机制,在此过程中引发各种变异．ZFNs是最早发展的通用基因组编辑技术,可用以实施定点敲除和定点敲入变异,但ZFNs技术的发展受限于构建难度大、成本高等缺点．TALENs技术在ZFNs基础上发展而来,较ZFNs技术而言,TALENs技术具备构建灵活度高、成本低等优势．不同于ZFNs与TALENs技术,CRISPR／Cas技术具有独特的DNA靶向机制,这种机制使其非常适合进行多位点编辑．目前,3种技术都在多种物种中成功测试,例如小鼠、斑马鱼、果蝇、线虫和家蚕．在后基因组时代,这些新技术工具必将在未来功能基因组研究中发挥重大作用．     

作物基因组编辑技术国际发展态势分析

基因组编辑技术是近年来飞速发展的一种对基因组DNA实现靶向修饰的新技术,主要包括归巢核酸酶、锌指核酸酶、转录激活因子样效应物核酸酶和成簇的规律间隔的短回文重复序列及其相关系统等四类.目前,基因组编辑技术在模式植物或作物的研究中得到了广泛应用,一些利用此技术研发的作物品种已获得商业化许可,预计未来几年基因组编辑作物品种将在全球范围内快速发展.本文综合利用定性调研和文献定量分析的方法,对作物基因组编辑技术的研发现状、重要国家、重要机构和研究主题进行分析,研究结果可为我国相关领域未来的研发布局和决策提供参考依据.     

DNA序列高维空间数字编码的运算法则

DNA序列的高维空间二进制数字编码,除可以对DNA序列的碱基结构、功能基团、碱基互补、氢键强弱等性质进行编码之外,还可以方便地进行 数学运算和逻辑运算。DNA序列高维空间数字编码的运算法则是：（1）根据DNA序列数码的奇偶性质,可以推导出其与末位碱基的对应关系。当DNA序列S的数值X（S）＝4n,4n 1,4n 2,4n 3时,其末位碱基依次为C,T,A,G（n=0,1,2,…）。（2）提出DNA序列高维空间的表观维数Nv,数值维数Nx及差异维数Nd的概念。当Nd=0时,首位碱基为A或G,当Nd=2n或2n 1(n=1,2,…）时,首痊碱基为（C）^n或（C）^nT。（3）推导出DNA序列点突变（单核苷酸多态性SNP）的运算法则。（4）推导出DNA重复序列（Tandem repeat)的运算法则。（5）提出DNA子序列（subsequence)的概念并定义DNA子序列的定值部Xi(digital value)和定位部Qi(location value)及其计算公式。（6）推导出DNA序列的延长运算、删除运算、缺失运算、插入运算、转位运算、换位运算和置换运算等的运算法则。（7）通过按位加运算求得DNA序列的汉明距离dh,碱基距离dh‘,基团距离dh″和共轭距离dG以及这些距离的意义与联系。（8）分析结果表明DNA序列的数字编码比常规的字符编码在数学运算上具有明显的优越性。     

CRISPR-Cas核酸酶及其人工改造变体和单碱基编辑器在植物中的应用

规律间隔成簇短回文重复序列(CRISPR)-CRISPR相关蛋白(Cas)和单碱基编辑器是植物基因编辑的基本工具。来自酿脓链球菌的Cas9(SpCas9)可以识别NGG前间区序列邻近基序(PAM),是一种广泛应用于活细胞基因组编辑的核酸酶。Cas12a核酸酶最近也在多种植物中实现了靶向识别富含T的PAM序列。