CRISPR系统用于昆虫基因表达调控的研究进展与展望

昆虫基因功能研究因缺少相应的工具而受到明显限制,但CRISPR/Cas9系统的出现为昆虫基因编辑及转录调控研究提供巨大助力。将Cas9核酸酶的RuvC和HNH剪切结构域失活改造得到的dCas9系统近年来在基因转录调控方面得到了广泛应用,同时CRISPR/dCpf1和最新发现的CRISPR/Cas13(a/b)系统为基因功能研究提供更多选择。本文综述了dCas9, dCpf1及Cas13(a/b)系统作用机理及在果蝇中的转录调控研究进展,以期为相关昆虫研究提供参考。     

利用dCas9-FokI编辑大鼠Dnmt1基因

CRISPR/Cas9的发现为多种生物的基因编辑提供了强有力的工具。然而,该系统在提供靶向性基因修饰的同时,会产生一些不需要的突变,即脱靶现象。为提高CRISPR/Cas9的特异性,我们将野生型FokI核酸内切酶的功能结构域与催化功能区失活的Cas9蛋白(dCas9)进行融合,形成融合蛋白用于降低脱靶效应。FokⅠ是一种依赖于二聚化才能行使内切酶活性的核酸酶,在本研究中,通过将FokⅠ功能结构融合到dCas9的N端,构建表达质粒pST1374-dCas9-FokⅠ。我们前期研究中,发现一个sgRNA在介导Cas9编辑Dnmt1基因建立条件敲除大鼠时,存在显著的脱靶现象。以此为基础,我们利用dCas9-FokⅠ/sgRNA系统编辑大鼠Dnmt1基因,研究该系统是否能够进行基因编辑以及是否能够提高基因编辑特异性。将转录好的dCas9-FokⅠ mRNA和sgRNA显微注射到SD大鼠的受精卵中,用于产生基因编辑大鼠。通过显微注射以及胚胎移植,最终获得43只F0代大鼠,其中两只在靶点位置包含突变,突变效率达4.5%。对脱靶情况进行分析,结果显示,无脱靶现象存在。综上,表明dCas9-FokⅠ/sgRNA可以应用于编辑大鼠基因,并能显著提高特异性。尽管dCas9-FokⅠ/sgRNA系统相比于Cas9/sgRNA系统,基因编辑效率有所下降,但是该技术的发展为基因治疗提供了可供选择的潜在工具。     

国内外CRISPR/Cas9基因编辑专利技术发展分析

CRISPR/Cas9是一种近年来备受瞩目的基因编辑工具,在医疗、农业、环境等领域呈现出广阔的应用前景。该领域的专利作为技术信息的重要载体,对于CRISPR/Cas9基因编辑工具的情报研究具有重要的意义。现通过分析德温特创新平台DI收录的2005—2017年的CRISPR/Cas9基因编辑技术相关专利,对国内外CRISPR/Cas9基因编辑技术研究领域的专利发展情况与技术布局进行对比,以了解国内外该领域的技术发展状况。     

基于CRISPR/Cas9系统在全基因组范围内筛选功能基因及调控元件研究进展

CRISPR/Cas9系统是一种近年来被广泛应用于基因组编辑的强大工具。通过将CRISPR/Cas9系统中的Cas9蛋白突变后,使其失去剪切活性而成为dCas9 (nuclease-dead Cas9),再结合基因功能丧失(loss-of-function,LOF)、基因功能激活(gain-of-function, GOF)以及非编码功能基因鉴定技术即可实现全基因组高通量的功能基因及调控元件靶向鉴定和筛选。目前,该技术已被广泛应用于疾病免疫机理、药物靶点筛选和动物遗传育种等研究,为生命医学和基础科学带来了全新高效的技术方法和研究思路。本文综述了基于CRISPR/Cas9技术在全基因组中高通量筛选功能基因及调控元件的方法及研究进展,重点阐述了CRISPR/Cas9系统在动物细胞中筛选功能性基因的方法,以期为基因编辑及相关研究领域提供参考。     

CRISPR/Cas9基因编辑技术在糖尿病细胞治疗中的应用研究进展

近几年来,基因编辑技术快速发展,为在特定位置精确操控基因组提供了一个有效而精确的工具。CRISPR/Cas9系统是一种新型的基因编辑工具,可实现对人类基因组的高精度修饰,是疾病建模和治疗的可行选择。随着CRISPR/Cas9系统技术的广泛应用,在糖尿病领域有不少相关研究出现。该文从干细胞分化为β细胞、基因编辑重编程为β细胞以及修饰基因三个方面总结了CRISPR/Cas9技术在糖尿病治疗中的应用。     

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运载体的研究进展

CRISPR/Cas9是一种多功能的基因工程技术,除了基因编辑,在基因表达的调控,活细胞DNA/RNA成像等方面也受到了广泛的关注。然而,CRISPR/Cas9系统源自原核生物,要应用到其他生物体内,还需要有运载体的协助。本文结合CRISPR/Cas9技术在多方面的应用,对其运载体进行了综述,为相关领域的工作提供参考。     

CRISPR/Cas9系统在临床医学研究的应用与改进

癌症与遗传疾病等难治性疾病的发生发展一般是多因素协同的结果，涉及复杂的信号网络及多生物分子的相互作用。了解其中驱动的关键元素有助于为临床上的治疗和研究打开新的突破口。然而，探究驱动元素用于难治性疾病治疗的挑战之一是缺乏方便、可编程的基因编辑工具。近年来，新型的CRISPR/Cas9系统由于其组分简单、基因编辑效率高等特点逐渐成为临床医学研究中应用最为广泛的基因编辑工具。本文介绍了CRISPR系统应用于临床研究中的相应进展和潜在挑战。阐述了基于CRISPR系统sgRNA序列重构能改变靶向性及系统本身的可编程性等特性，其可在进行适当的改造和修饰后实现对活细胞染色体的实时成像，用以了解生物体在面临外界刺激时基因组的时空调节。评估了CRISPR系统在基因筛选、免疫治疗和遗传疾病治疗方面的重大价值，尤其是CRISPR系统进行相应改造后系统用在临床研究中安全性与功能性的提升。介绍了CRISPR系统在临床研究中的应用障碍、局限以及对其相应的优化改造，展望CRISPR/Cas9基因编辑技术的应用前景及其在临床医学领域的发展优势，以期能为CRISPR系统的进一步应用与优化提供参考。     

CRISPR/Cas9系统中引导RNA的研究进展

CRISPR/Cas9系统作为重要的一种基因编辑工具,自产生以来广泛应用于各种生物体基因组序列的精确编辑,可在特定位点产生核苷酸的删除、插入或替换,从而改变编码基因的功能。以CRISPR/Cas9为代表的基因编辑技术将应用于包括生物育种在内的各项生物技术领域,产生新一代生物技术产品。目前关于CRISPR/Cas9的研究报道多集中于Cas9蛋白的结构功能,以及CRISPR/Cas9系统的工作原理。引导RNA(Guide RNA)作为CRISPR/Cas9系统的重要组分之一,也是基因编辑技术领域的研究热点,近来有多篇文章报道通过改良引导RNA从而提高CRISPR/Cas9的编辑效率和精确性。对CRISPR/Cas9系统中的引导RNA研究进展进行了综述,围绕引导RNA的序列组成、结构特征以及转录产生方式这3方面内容,有助于全面了解CRISPR/Cas9系统的结构特征,讨论了引导RNA对CRISPR/Cas9基因编辑效率的影响,有利于CRISPR/Cas9系统的使用。最后,展望引导RNA今后的研究发展趋势,旨在解决CRISPR/Cas9目前存在的相关问题,优化出效率更高、精度更高的基因编辑技术。     

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。     

Live‐cell CRISPR imaging in plants reveals dynamic telomere movements

Elucidating the spatiotemporal organization of the genome inside the nucleus is imperative to our understanding of the regulation of genes and non‐coding sequences during development and environmental changes. Emerging techniques of chromatin imaging promise to bridge the long‐standing gap between sequencing studies, which reveal genomic information, and imaging studies that provide spatial and temporal information of defined genomic regions. Here, we demonstrate such an imaging technique based on two orthologues of the bacterial clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)–CRISPR associated protein 9 (Cas9). By fusing eGFP/mRuby2 to catalytically inactive versions of Streptococcus pyogenes and Staphylococcus aureus Cas9, we show robust visualization of telomere repeats in live leaf cells of Nicotiana benthamiana. By tracking the dynamics of telomeres visualized by CRISPR–dCas9, we reveal dynamic telomere movements of up to 2 μm over 30 min during interphase. Furthermore, we show that CRISPR–dCas9 can be combined with fluorescence‐labelled proteins to visualize DNA–protein interactions in vivo. By simultaneously using two dCas9 orthologues, we pave the way for the imaging of multiple genomic loci in live plants cells. CRISPR imaging bears the potential to significantly improve our understanding of the dynamics of chromosomes in live plant cells.