CRISPR/Cas系统递送技术及其应用研究进展

基于CRISPR/Cas的基因编辑系统是近年来研究发展最重要的生物技术之一,其在基因编辑、核酸成像、转录调控、基因检测与疾病诊断、动物模型建立、农作物改良等领域均有十分广泛的应用.本文主要介绍了CRISPR/Cas基因编辑技术的背景与发展历程,梳理了包括纳米载体在内的各类递送技术,总结了该技术应用于疾病治疗的临床前和临床研究进展,简述了CRISPR/Cas在其他更广泛领域的应用,并就该技术面临的挑战、发展趋势和应用前景做了展望.     

CRISPR/Cas9系统纳米递送及其在肿瘤治疗中应用

新兴的CRISPR/Cas9基因编辑技术可实现在分子水平上对基因进行操作,具有设计简单、易于操作、特异性好、效率高等优点,广泛应用于肿瘤发生、发展和转移的潜在机制以及临床治疗的研究.利用纳米技术研发的非病毒纳米载体可以将CRISPR/Cas9系统高效递送到体内,为CRISPR/Cas9技术在临床领域的应用提供新途径.本文介绍CRISPR/Cas9的作用原理,简要概括目前CRISPR/Cas9系统的递送形式和常用的纳米递送载体,总结在部分肿瘤治疗中应用该技术的研究进展,并进一步对此进行展望.     

CRISPR/Cas9系统中sgRNA设计与脱靶效应评估

基于CRISPR/Cas9系统介导的第三代基因组编辑技术,已成功应用于动物、植物和微生物等诸多物种的基因组改造。如何提高CRISPR/Cas9技术的基因组编辑效率和最大限度降低脱靶风险一直是本领域的研究热点,而使用高效且特异的sgRNA(Small guide RNA)是基因组改造成功的关键性因素之一。目前,已有多款针对CRISPR/Cas9技术的sgRNA设计和/或脱靶效应评估软件,但不同的软件各有优缺点。本文重点对16款sgRNA 设计和脱靶效应评估在线和单机版软件的特点进行了阐述,通过制定38项评估指标对不同软件进行了比较分析,最后对11种用于检测基因组编辑效率和脱靶的实验方法,以及如何筛选高效且特异的sgRNA进行了归纳总结。     

快速构建多重sgRNA载体利用CRISPR/Cas9技术敲除拟南芥IAA2基因

IAA2(Indole Acetic Acid 2)是拟南芥Aux/IAA生长素响应基因大家族中的一员,目前还没有它的突变体的报道,阻碍了对其功能和作用机制的深入研究。在CRISPR/Cas9基因组编辑技术中,1个sgRNA只能靶向基因的1个位点,有时基因敲除的效率并不高。为了提高敲除效率,本文在Golden-Gate克隆技术的基础上,通过两轮PCR扩增,将每3个sgRNA串联到同1个入门载体中,再将入门载体与含Cas9表达框的目标载体LR反应,获得最终的表达载体。结果表明,设计的6个sgRNA有4个发挥了作用,产生了碱基插入突变和大片段缺失突变等多种可遗传的突变。与单个sgRNA相比,多重sgRNA的基因敲除效率高、种系突变多;与其他构建多重sgRNA载体的方法相比,本方法具有快速、高效等优点。本文所得到的5个突变体为后续的IAA2功能研究提供了良好的材料。     

CRISPR/Cas9基因组编辑技术的研究进展及其应用

随着测序技术的不断进步,获得了越来越多物种的全基因组序列。面对这些海量的基因组数据,基因定点编辑技术是高效捕获目标基因、迅速获得基因功能和应用信息的重要研究手段。CRISPR/Cas9是目前最有效的一种基因定点编辑技术。CRISPR/Cas9系统(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated)是广泛存在于细菌及古生菌中的,由细菌体长期进化而形成,能够降解入侵病毒或噬菌体DNA的适应性免疫系统。因此,对CRISPR/Cas9系统的发展、应用,以其在相关研究中的应用前景进行阐述显得尤为必要。     

CRISPR/Cas纳米递送系统在肿瘤治疗中的研究进展

CRISPR/Cas系统作为一种新兴的基因编辑技术,已被广泛应用于肿瘤治疗研究.CRISPR/Cas系统基因编辑功能的实现依赖于递送系统.其中,纳米递送系统具有递送安全等优势,成为目前研究的热点.基于此,本文介绍了CRISPR/Cas系统的概念及肿瘤治疗方面的研究现状,探讨了CRISPR/Cas系统以质粒、mRNA和蛋...     

CRISPR/Cas9在肿瘤治疗中的研究进展

CRISPR/Cas9技术自从出现以来便迅速应用于肿瘤研究。在肿瘤发生的机理研究中,CRISPR/Cas9可用于研究单核苷酸突变、染色体异位等因素在肿瘤发生中的作用机制,同时也可以用于肿瘤细胞中功能缺陷基因的筛选。在肿瘤治疗方法的研究中,CRISPR/Cas9主要用于诱发机制比较清晰且诱因为病毒的肿瘤类型,例如鼻咽癌、宫颈癌等,通过对相应病毒的基因进行编辑从而抑制其致癌作用。利用CRISPR/Cas9技术还可以加速新肿瘤治疗靶点基因的发现。尽管发展和应用十分迅速,但是CRISPR/Cas9在肿瘤研究和治疗中的作用仍然受多种因素的限制,包括Cas9和sgRNA的输送效率、脱靶效应以及安全性和成本等。对CRISPR/Cas9在肿瘤研究中的应用进展进行了综述,以期为肿瘤发生、转移机制和肿瘤治疗等方面的研究提供参考。     

纳米粒子在CRISPR/Cas9基因治疗中的应用

CRISPR/Cas9基因编辑技术已成为基因治疗领域最有前景的工具。在临床应用中,对CRISPR/Cas9进行安全有效的递送一直是亟待解决的问题。纳米粒子,如脂基纳米粒子、聚合物纳米粒子、纳米金颗粒以及生物膜类纳米粒子等,因其生物相容性、安全性和可设计性等特点有望为基因治疗带来新的突破。文中首先对纳米粒子的特性和基因治疗中CRISPR/Cas9的发展进行了概述,然后详细归纳了纳米粒子在递送不同形式的CRISPR/Cas9中的应用,最后对纳米粒子介导的基因治疗的递送在未来面临的挑战和安全性等方面作出总结论述。     

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。     

Optimized paired‐sgRNA/Cas9 cloning and expression cassette triggers high‐efficiency multiplex genome editing in kiwifruit

Kiwifruit is an important fruit crop; however, technologies for its functional genomic and molecular improvement are limited. The clustered regulatory interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR‐associated protein (Cas) system has been successfully applied to genetic improvement in many crops, but its editing capability is variable depending on the different combinations of the synthetic guide RNA (sgRNA) and Cas9 protein expression devices. Optimizing conditions for its use within a particular species is therefore needed to achieve highly efficient genome editing. In this study, we developed a new cloning strategy for generating paired‐sgRNA/Cas9 vectors containing four sgRNAs targeting the kiwifruit phytoene desaturase gene (AcPDS). Comparing to the previous method of paired‐sgRNA cloning, our strategy only requires the synthesis of two gRNA‐containing primers which largely reduces the cost. We further compared efficiencies of paired‐sgRNA/Cas9 vectors containing different sgRNA expression devices, including both the polycistronic tRNA‐sgRNA cassette (PTG) and the traditional CRISPR expression cassette. We found the mutagenesis frequency of the PTG/Cas9 system was 10‐fold higher than that of the CRISPR/Cas9 system, coinciding with the relative expressions of sgRNAs in two different expression cassettes. In particular, we identified large chromosomal fragment deletions induced by the paired‐sgRNAs of the PTG/Cas9 system. Finally, as expected, we found both systems can successfully induce the albino phenotype of kiwifruit plantlets regenerated from the G418‐resistance callus lines. We conclude that the PTG/Cas9 system is a more powerful system than the traditional CRISPR/Cas9 system for kiwifruit genome editing, which provides valuable clues for optimizing CRISPR/Cas9 editing system in other plants.     

The CRISPR/Cas9 system produces specific and homozygous targeted gene editing in rice in one generation

The CRISPR/Cas9 system has been demonstrated to efficiently induce targeted gene editing in a variety of organisms including plants. Recent work showed that CRISPR/Cas9‐induced gene mutations in Arabidopsis were mostly somatic mutations in the early generation, although some mutations could be stably inherited in later generations. However, it remains unclear whether this system will work similarly in crops such as rice. In this study, we tested in two rice subspecies 11 target genes for their amenability to CRISPR/Cas9‐induced editing and determined the patterns, specificity and heritability of the gene modifications. Analysis of the genotypes and frequency of edited genes in the first generation of transformed plants (T0) showed that the CRISPR/Cas9 system was highly efficient in rice, with target genes edited in nearly half of the transformed embryogenic cells before their first cell division. Homozygotes of edited target genes were readily found in T0 plants. The gene mutations were passed to the next generation (T1) following classic Mendelian law, without any detectable new mutation or reversion. Even with extensive searches including whole genome resequencing, we could not find any evidence of large‐scale off‐targeting in rice for any of the many targets tested in this study. By specifically sequencing the putative off‐target sites of a large number of T0 plants, low‐frequency mutations were found in only one off‐target site where the sequence had 1‐bp difference from the intended target. Overall, the data in this study point to the CRISPR/Cas9 system being a powerful tool in crop genome engineering.     

Efficient gene editing in adult mouse livers via adenoviral delivery of CRISPR/Cas9

We developed an adenovirus-based CRISPR/Cas9 system for gene editing in vivo. In the liver, we demonstrated that the system could reach the level of tissue-specific gene knockout, resulting in phenotypic changes. Given the wide spectrum of cell types susceptible to adenoviral infection, and the fact that adenoviral genome rarely integrates into its host cell genome, we believe the adenovirus-based CRISPR/Cas9 system will find applications in a variety of experimental settings.     

sgRNA Sequence Motifs Blocking Efficient CRISPR/Cas9-Mediated Gene Editing

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一种新型的CRISPR/Cas9-hLacI双链DNA供体适配基因编辑系统

在CRISPR/Cas9系统介导的基因编辑中,借助于双链DNA （double-stranded DNA,dsDNA）供体模板的重组效应能够实现对目标基因组靶位点的精确编辑和基因敲入,然而高等真核生物细胞中同源重组的低效性限制了该基因编辑策略的发展和应用。为提高CRISPR/Cas9系统介导dsDNA供体模板的同源重组效率,本研究利用大肠杆菌（Escherichia coli）乳糖操纵子阻遏蛋白LacI与操纵序列LacO特异性结合的特点,通过重组DNA技术将密码子人源化优化的阻遏蛋白基因LacI分别与脓链球菌（Streptococcus pyogenes）源的SpCas9和路邓葡萄球菌（Staphylococcus lugdunensis）源的SlugCas9-HF融合表达,通过PCR将操纵序列LacO与dsDNA供体嵌合,构建了新型的CRISPR/Cas9-hLacI供体适配系统（donor adapting system,DAS）。首先在报告载体水平上对Cas9核酸酶活性、DAS介导的同源引导修复（homology-directed repair,HDR）效率进行了验证和优化,其次在基因组水平对其介导的基因精确编辑进行了检测,并最终利用CRISPR/SlugCas9-hLacI DAS在HEK293T细胞中实现了VEGFA位点的精确编辑,效率高达30.5%,显著高于野生型。综上所述,本研究开发了新型的CRISPR/Cas9-hLacI供体适配基因编辑系统,丰富了CRISPR/Cas9基因编辑技术种类,为以后的基因编辑及分子设计育种研究提供了新的工具。