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/Cas系统的研究进展及前沿应用

CRISPR/Cas系统作为一种高效的基因组编辑工具,已经被广泛地研究和应用于各个领域。CRISPR/Cas系统已从最初的CRISPR/Cas9发展到现在的CRISPR/Cas12a、CRISPR/Cas13a、CRISPR/dCas等十多种基因编辑系统;从原来的靶向作用于DNA到现在的除了靶向作用于DNA和RNA外,还能应用于转录调控、DNA循环等无需基因编辑的领域。CRISPR/Cas系统以往存在的诸多局限性正在被一个一个突破,该系统的应用已经进入了一个新的时代。本文对CRISPR/Cas系统近些年的发展情况以及新发现的各种CRISPR/Cas系统做了一个总结,并列举了各个系统最新的应用情况。     

CRISPR/Cas9基因编辑在三维基因组研究中的应用

CRISPR/Cas9系统在基因编辑方面具有巨大优势,能够低成本、可编程、方便快捷地用于动物、植物以及微生物的基因组靶向编辑和功能改造。三维基因组学是近年来兴起的一门研究染色质高级结构动态调控及基因组生物学功能的交叉学科。在三维基因组研究中,通常采用对DNA片段进行基因编辑以模拟基因组结构性变异,标记特定DNA片段,进而研究调控元件对于基因调控、细胞分化、组织发生、器官形成、个体发育的影响,最终阐明三维基因组的组装调控机制和生物学功能。因此,CRISPR及其衍生技术为研究三维基因组提供了极好的遗传学工具。本文主要综述了CRISPR片段编辑及其衍生技术在三维基因组调控与功能研究中的应用,以期为后续研究工作提供理论参考以及新的研究思路。     

CRISPR/Cas9系统在培育抗病毒植物新种质中的应用

随着CRISPR/Cas9系统在基因组编辑技术上的开发和完善,CRISPR/Cas9系统在应用于动物病毒感染性疾病防治并取得相当成效的同时,也逐步被应用到对植物病毒基因组进行高效靶向修饰的研究中。CRISPR/Cas9系统对基因组靶向修饰作用不仅实现了对植物DNA病毒基因组序列的编辑,还展示了其有效作用于植物RNA病毒基因组的潜力,同时CRISPR/Cas9系统还能在基因转录和转录后调控水平发挥作用,说明该系统具有通过多种途径调控植物病毒复制的潜能。相对其他植物病毒病防治策略,该系统对病毒基因组的编辑更精准、对基因表达的调控更稳定,对病毒病的抗性也更为广谱。本文将CRISPR/Cas9系统与其他植物病毒病防治策略进行了比较,概述了该系统在培育植物抗病毒病新种质中的优势,分析了其具体应用在该领域中面临的主要问题,讨论了该系统在培育抗病毒植物新种质应用中的发展趋势。     

CRISPR/Cas9的应用及脱靶效应研究进展

CRISPR/Cas9基因编辑技术在生命科学领域掀起了一场全新的技术革命,该技术可以对基因组特定位点进行靶向编辑,包括缺失、插入、修复等。CRISPR/Cas9比锌指核酸酶 (ZFNs)和转录激活因子样效应物核酸酶(TALENs)技术更易于操作,而且更高效。CRISPR/Cas9系统中的向导RNA(Single guide RNA, sgRNA)是一段与目标DNA片段匹配的RNA序列,指导Cas9蛋白对基因组进行识别。研究发现,设计的sgRNA会与非靶点DNA序列错配,引入非预期的基因突变,即脱靶效应(Off-target effects)。脱靶效应严重制约了CRISPR/Cas9基因编辑技术的广泛应用。为了避免脱靶效应,研究者对影响脱靶效应的因素进行了系统研究并提出了许多降低脱靶效应的方法。文章总结了CRISPR/Cas9系统的应用及脱靶效应研究进展,以期为相关领域的工作提供参考。     

基于CRISPR/Cas9基因编辑技术的人类遗传疾病基因治疗相关研究进展

CRISPR/Cas9系统(常间回文重复序列丛集/常间回文重复序列丛集关联蛋白系统)为靶向基因编辑提供了强大的技术手段.利用序列特异性sgRNA的引导,CRISPR/Cas9系统能够精准地在目标DNA的确切位置导入双链切口.与已有的基因编辑手段相比,该系统具有更优异的简便性、特异性和有效性.目前,大量涉及体内外多物种的CRISPR/Cas9基因编辑研究已充分展示了该技术的巨大潜力,为基于该技术的疾病治疗研究和临床应用带来了希望.基于CRISPR/Cas9基因编辑技术所介导的非同源性末端连接和同源性DNA修复作用,近期多个研究工作已经成功应用该技术修复了包括点突变和基因组缺失等在内的遗传疾病相关基因组缺陷.本综述将总结近期有关利用CRISPR/Cas9基因编辑技术治疗人类遗传性疾病的相关临床前研究进展.     

利用CRISPR/Cas9对基因组中高度同源DNA片段编辑多样性的遗传学研究

在基因组中,编码区存在许多高度相似的基因簇或基因群(多拷贝基因),非编码区也存在大量的重复序列。这些重复序列能通过改变染色体的三维结构调控基因的转录,对于生物体的遗传与进化起到了重要的作用。其高度同源的特征使得利用CRISPR/Cas9技术进行基因组编辑时面临更加复杂的状况。如果编辑的片段是二倍体或多倍体,还会产生各条染色单体上的编辑情况不相同的现象。为此本文选择了2个位于同一染色体相距11 kb的高度同源300 bp片段(L1和L2)进行CRISPR介导的DNA片段编辑。采用一对sgRNA(分别共同靶向两片段的上、下游位点)引导Cas9对HepG2细胞两个高度相似的DNA片段进行切割。片段编辑的细胞进一步单克隆化后,对获得的22个L1/L2编辑的CRISPR单克隆细胞株进行详细的基因型鉴定。结果发现除了这两个DNA片段本身被删除外,它们之间的大片段也存在被删除的现象,三个片段的各种反转组合也很频繁。该研究结果对于采用CRISPR/Cas9系统编辑多拷贝基因或重复序列,尤其是对二倍体或多倍体生物进行基因组编辑时具有重要的借鉴和参考价值。     

CRISPR/Cas9系统研究进展

CRISPR/Cas9系统的发展彻底改变了人们编辑DNA序列和调控目标基因表达水平的能力,从而为生物体的精确基因组编辑提供了有力的工具。简化后的CRISPR/Cas9系统由两部分组成:Cas9蛋白和sgRNA。其作用原理为sgRNA通过自身的Cas9把手与Cas9蛋白形成Cas9-sgRNA复合体,Cas9-sgRNA复合体中sgRNA的碱基互补配对区序列与目标基因的靶序列通过碱基互补配对原则进行配对结合,Cas9利用自身的核酸内切酶活性对目标DNA序列进行切割。与传统的基因组编辑技术相比,CRISPR/Cas9系统具有几大明显的优势:易用性、简便性、低成本、可编程性以及可同时编辑多个基因。CRISPR/Cas9基因组编辑技术以及衍生出来的CRISPRi和CRISPRa基因表达调控技术已经广泛应用于多种真核和原核生物中。综述了CRISPR/Cas9系统的起源、作用机理、在生物体中的应用和其衍生出的技术,并概述了其脱靶效应和未来前景。     

CRISPR/Cas9-mediated correction of human genetic disease

The clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)/CRISPR-associated(Cas) protein 9 system(CRISPR/Cas9) provides a powerful tool for targeted genetic editing. Directed by programmable sequence-specific RNAs,this system introduces cleavage and double-stranded breaks at target sites precisely. Compared to previously developed targeted nucleases, the CRISPR/Cas9 system demonstrates several promising advantages, including simplicity, high specificity,and efficiency. Several broad genome-editing studies with the CRISPR/Cas9 system in different species in vivo and ex vivo have indicated its strong potential, raising hopes for therapeutic genome editing in clinical settings. Taking advantage of non-homologous end-joining(NHEJ) and homology directed repair(HDR)-mediated DNA repair, several studies have recently reported the use of CRISPR/Cas9 to successfully correct disease-causing alleles ranging from single base mutations to large insertions. In this review, we summarize and discuss recent preclinical studies involving the CRISPR/Cas9-mediated correction of human genetic diseases.     

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.     

基于CRISPR编辑系统的DNA片段删除技术

基于CRISPR/Cas9系统的基因组编辑技术已成为基因功能研究和遗传修饰的重要工具。在引导RNA的引导下,Cas9蛋白对基因组靶位点进行精准切割产生DNA双链断裂(DSB),借助细胞内的DSB修复机制,可实现基因组靶位点碱基的缺失、插入或者替换,甚至发生片段删除。该文介绍了基于CRISPR/Cas9基因组编辑系统的D...     

Large fragment deletion using a CRISPR/Cas9 system in Saccharomyces cerevisiae

Large chromosomal modifications have been performed in natural and laboratory evolution studies and hold tremendous potential for use in foundational research, medicine, and biotechnology applications. Recently, the type II bacterial Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat and CRISPR-associated (CRISPR/Cas9) system has emerged as a powerful tool for genome editing in various organisms. In this study, we applied the CRISPR/Cas9 system to preform large fragment deletions in Saccharomyces cerevisiae and compared the performance activity to that of a traditional method that uses the Latour system. Here we report in S. Cerevisiae the CRIPR/Cas9 system has been used to delete fragments exceeding 30 kb. The use of the CRISPR/Cas9 system for generating chromosomal segment excision showed some potential advantages over the Latour system. All the results indicated that CRISPR/Cas9 system was a rapid, efficient, low-cost, and versatile method for genome editing and that it can be applied in further studies in the fields of biology, agriculture, and medicine.     

基于CRISPR/Cas9的精准基因编辑技术研究进展

基因编辑技术是一种可以在基因组水平上对DNA序列进行改造的遗传操作技术。基于CRISPR/Cas9系统的精准编辑技术是一个操作方便、应用广泛的基因编辑技术,与传统的CRISPR/Cas9不同,精准基因编辑技术可以在不需要DNA模板的情况下对基因进行定点突变。本文重点介绍了近年来基于CRISPR/Cas9介导的精准基因编辑技术的发展,并深入分析了基因精准编辑技术面临的挑战和机遇。     

Genome Editing—Principles and Applications for Functional Genomics Research and Crop Improvement

Genome editing technologies are powerful tools for studying gene function and for crop improvement. The technologies rely on engineered endonucleases to generate double stranded breaks (DSBs) at target loci. The DSBs are repaired through the error-prone non-homologous end joining (NHEJ) and homology-directed repair (HDR) pathways in cells, resulting in mutations and sequence replacement, respectively. In the widely used CRISPR/Cas9 system, the endonuclease Cas9 is targeted by a CRISPR small RNA to DNA sequence of interest. In this review, we describe the four available types of genome editing tools, ZFN, TALEN, CRISPR/Cas9 and CRISPR/Cpf1, and show their applications in functional genomics research and precision molecular breeding of crops.     

新生儿短肠综合征的肠内营养研究进展

从喂养方式、喂养过程、营养成分、护理重点等多方面综述新生儿短肠综合征肠内营养的研究进展,并结合患儿的实际病情以及实验室检查结果等指标,提出对患儿进行持续性的肠内营养支持的具体做法：（1）在现实情况允许的条件下,保证用母乳喂养患儿,无法提供母乳的情况下合理配比奶粉,并根据实际需要添加一些纤维和脂类的补充剂,保障患儿健康发育;（2）在给予肠内营养的过程中全程无菌化处理,调节适宜的温度,合理选择药物;（3）应用大规模对照试验方式,通过大数据对比总结出持续肠内营养对短肠综合征患儿的影响,为儿科护理工作提供科学依据。     

基于CRISPR/Cas9技术的基因敲入/敲除策略

成簇的规律间隔性短回文序列(CRISPR)基因编辑系统,因其设计简单操作方便和无种属限制,已成为一种广泛应用的基因组定点编辑工具,在复杂的基因组编辑,例如基因的人源化改造以及条件等位基因的构建中有所应用。在自然界中,CRISPR系统拥有多种类别。其中,CRISPR/Cas9系统是研究最深入、应用最成熟的一种。本文针对CRISPR/Cas9系统,分别从基因敲入/敲除片段的大小、同源臂长短、构型即递送方式等技术环节进行综述,阐述不同设计及操作条件下由CRISPR/Cas9系统介导的基因敲入/敲除的效率差异。