Chimeric CRISPR-CasX enzymes and guide RNAs for improved genome editing activity

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2017基因组编辑专刊序言

基因组编辑技术,作为一项生物医学领域的革新技术,已经在动物、植物和微生物基因组改造中得到了广泛的应用。以CRISPR/Cas9为主导的基因组编辑技术掀起了基因组编辑的浪潮,在功能基因组学、遗传改良育种、遗传病治疗等研究中展示出其极大的价值与潜力。本专刊报道了基因组编辑技术的总体状况、在相关领域的基础与应用研究、该技术当前存在的优缺点以及未来展望等。     

一种大肠杆菌快速连续CRISPR基因组编辑的新策略

【背景】通过CRISPR结合λ-Red同源重组技术进行染色体编辑是大肠杆菌遗传改造的重要手段。虽然目前已经有多个以CRISPR为基础的大肠杆菌基因组编辑策略,但这些方法往往涉及单独质粒消除、多片段组装等过程,存在效率低、操作繁琐、耗时长等问题。【目的】建立一种基于不同温度敏感程度的多种质粒协同使用的大肠杆菌快速、连续、高效的CRISPR基因组编辑方法,提高CRISPR在大肠杆菌基因编辑过程中的效率。【方法】将传统CRISPR方法中使用的pTarget质粒改造为RK2ts型温敏型质粒,并采用pTW-A/S两种抗性标记质粒交替使用的方法消除假阳性,实现质粒消除与下一步基因组编辑同步进行。【结果】在相同温度下RK2ts型质粒先于pSC101ts型质粒发生丢失,从而能够选择性缺失RK2ts型质粒pTW-A/S。同时实现pTW-A/S质粒的消除和下一轮基因整合过程中质粒与打靶片段的转入。利用该方法基因敲除/整合效率高达100%。通过对菌株BP01基因Bspan D与asp A进行高效连续整合,构建得到菌株BP03,成功提升产物β-丙氨酸的产量。【结论】建立起一种新的高效、方便、灵活的CRISPR/Cas9介导的大肠杆菌基因组连续编辑策略。通过这种不同温度敏感程度的多种质粒协同使用方法,一方面解决了传统方法中质粒消除繁琐等问题,另一方面也避免了大质粒多片段连接等步骤,并极大地缩短了实验周期,为代谢工程菌株改造提供有力工具。     

计算生物学分析在基因组编辑研究中的应用

基因组编辑是对基因组遗传信息进行定向改造的技术,其中CRISPR/Cas系统是目前应用最广泛的基因组编辑新技术。将先进的高通量测序以及相关计算生物分析应用于基因编辑研究,可进一步优化基因编辑效率和精度等检测流程,实现对全基因组功能基因筛选的监测。同时,利用基于生物信息及机器学习和深度学习等新方法,可对向导RNA(gRNA)的高效设计和实现对编辑效果的预测。本文将对计算生物学分析在CRISPR/Cas基因编辑系统的应用及研究进展等进行概述。     

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。     

An efficient CRISPR/Cas9 platform for targeted genome editing in rose (Rosa hybrida)

The clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)/CRISPR-related nuclease 9(Cas9) system enables precise, simple editing of genes in many animals and plants.However, this system has not been applied to rose(Rosa hybrida) due to the genomic complexity and lack of an efficient transformation technology for this plant. Here, we established a platform for screening single-guide RNAs(sgRNAs) with high editing efficiency for CRISPR/Cas9-mediated gene editing in rose using suspensio...     

CRISPR/Cas9基因组编辑技术在农业动物中的应用

CRISPR(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)/Cas(CRISPR associated proteins)是在细菌和古细菌中发现的一种用来抵御病毒或质粒入侵的获得性免疫系统.目前已发现的CRISPR/Cas系统包括Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ型,其中Ⅱ型系统的组成较简单,由其改造成的CRISPR/Cas9技术已成为一种高效的基因组编辑工具.自2013年CRISPR/Cas9技术成功用于哺乳动物基因组定点编辑以来,应用该技术进行基因组编辑的报道呈现出爆发式的增长.农业动物不仅是重要的经济动物,也是人类疾病和生物医药研究的重要模式动物.本文综述了CRISPR/Cas9技术在农业动物中的研究和应用进展,简述了该技术的脱靶效应及减少脱靶的主要方法,并展望了该技术的应用前景.     

The versatile electric condition in mouse embryos for genome editing using a three-step square-wave pulse electroporator

Technique for Animal Knockout system by Electroporation (TAKE) is a simple and efficient method to generate genetically modified (GM) mice using the clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)/CRISPR-associated protein 9 (Cas9) systems. To reinforce the versatility of electroporation used for gene editing in mice, the electric condition was optimized for vitrified-warmed mouse embryos, and applied to the fresh embryos from widely used inbred strains (C57BL/6NCr, BALB/cCrSlc, FVB/NJcl, and C3H/HeJJcl). The electric pulse settings (poring pulse: voltage, 150 V; pulse width, 1.0 ms; pulse interval, 50 ms; number of pulses, +4; transfer pulse: voltage, 20 V; pulse width, 50 ms; pulse interval, 50 ms; number of pulses, ±5) were optimal for vitrified-warmed mouse embryos, which could efficiently deliver the gRNA/Cas9 complex into the zygotes without zona pellucida thinning process and edit the target locus. These electric condition efficiently generated GM mice in widely used inbred mouse strains. In addition, electroporation using the electrode with a 5 mm gap could introduce more than 100 embryos within 5 min without specific pretreatment and sophisticated technical skills, such as microinjection, and exhibited a high developmental rate of embryos and genome-editing efficiency in the generated offspring, leading to the rapid and efficient generation of genome editing mice. The electric condition used in this study is highly versatile and can contribute to understanding human diseases and gene functions by generating GM mice more easily and efficiently.     

CRISPR/Cas9在丝状真菌基因组编辑中的应用

丝状真菌(filamentous fungi)通常指那些菌丝体较发达且不产生大型肉质子实体结构的真核微生物。丝状真菌不仅在自然界物质循环中发挥着重要作用,还与人类健康和工农业生产有着紧密的联系。然而,对丝状真菌进行遗传操作相对困难,极大地妨碍了丝状真菌的遗传学研究。成簇的规律间隔的短回文重复序列及其相关系统(clustered regulatory interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9, CRISPR/Cas9)是近年来发现的一种存在于细菌和古菌中保守的获得性免疫防御机制。最近,CRISPR/Cas9被开发成为了一种方便灵活的基因组编辑技术。目前,该技术已经广泛应用在不同物种的基因组编辑中。本文概述了CRISPR/Cas9在丝状真菌基因组编辑中的应用进展,旨在为开展该领域的研究工作提供参考。     

Advances in detecting and reducing off-target effects generated by CRISPR-mediated genome editing

CRISPR-mediated genome editing is a revolutionary technology for genome manipulation that uses the CRISPR-Cas systems and base editors.Currently,poor efficiency and off-target problems have impeded the application of CRISPR systems.The on-target efficiency has been improved in several advanced versions of CRISPR systems,whereas the off-target detection still remains a key challenge.Here,we outline the different versions of CRISPR systems and off-target detection strategies,discuss the merits and limitations of off-target detection methods,and provide potential implications for further gene editing research.     

CRISPR/Cas9-mediated genome editing assists protein dynamics studies in live cells

Spatial and temporal regulation of molecular reactions dictates cell fate. Thus, studying molecular dynamics is essential to understand how cells decide what to do and the fundamental perturbations causing disease. Classically, molecular dynamics has been studied by protocols based in the overexpression of fluorescent fusion proteins. However, overexpression is associated to altered stoichiometry, molecular dynamics and subcellular distribution. We here discuss the necessity to study molecular dynamics of fluorescent fusion proteins expressed under physiological mechanisms in the cell, pointing to CRISPR/Cas9-mediated genome editing as the ideal means to do so. Current genome editing protocols enable us to study molecular dynamics while avoiding drawbacks associated to overexpression.     

CRISPR/Cas9介导的基因组定点编辑技术在丝状真菌中的研究进展

CRISPR/Cas9技术是在特定的RNA引导下,利用特异的核酸酶实现对基因组进行编辑的新技术。自2013年该技术体系建立起来已成功应用于动物、植物及真菌中。本文简述了3种基于核酸酶的基因编辑技术及其应用,概述了CRISPR/Cas9系统的组成及其作用机理,总结了CRISPR/Cas9在模式真菌酿酒酵母及丝状真菌中的应用,并就在丝状真菌中应用该技术时sg RNA表达盒的设计、Cas9表达盒的优化、抗性标记的筛选、受体的选择等方面提出具体的研究方法。另外,针对该技术应用过程中出现的脱靶效应、Cas9核定位信号的添加、启动子的选择及多个靶基因的编辑等问题提出了建议与展望,希望能够为初次涉足该领域的科研人员提供理论参考和技术支持。     

利用CRISPR/Cas9技术对人多能干细胞进行高效基因组编辑

CRISPR/Cas9技术提供了一个全新的基因组编辑体系。本文利用CRISPR/Cas9平台,在人胚胎干细胞株中对选取的一段特定基因组区域进行了多种基因组编辑：通过在基因编码框中引入移码突变进行基因敲除;通过单链DNA提供外源模板经由同源重组定点敲入FLAG序列;通过同时靶向多个位点诱导基因组大片段删除。研究结果表明CRISPR/Cas9可以对多能干细胞进行高效基因编辑,获得的突变干细胞株有助于对基因和基因组区域的功能进行分析和干细胞疾病模型的建立。     

CRISPR/Cas9基因组编辑技术在HIV-1感染治疗中的应用进展

基因治疗是将外源正常基因通过一定方式导入人体靶细胞以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病,从而达到治疗目的。因此,基因治疗的技术方法在研究持续感染HIV-1或潜伏感染HIV-1原病毒患者的治疗中具有重大的现实意义。目前,现有的基因治疗方法存在识别靶向位点有限及脱靶几率大等主要问题。最新研究表明来源于细菌和古菌的规律间隔成簇短回文重复序列及其相关核酸酶9系统[Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated nuclease 9 (Cas9), CRISPR/Cas9]已被成功改造成基因组定点编辑工具。因此,如何利用CRISPR/Cas9系统实现对HIV-1病毒基因组进行高效靶向修饰,从而达到治疗HIV-1感染病患的目的已经成为当前研究的热点。本文参考最新国内外研究成果,重点介绍了 CRISPR/Cas9基因组编辑技术在HIV-1感染疾病治疗中的应用,主要包括CCR5基因编辑、清除HIV-1原病毒以及活化HIV-1原病毒,以期为HIV-1感染疾病的预防与治疗提供重要研究参考。