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。     

CRISPR⁃Cas9技术在植物次生代谢物生产中的研究进展

基因编辑（gene editing）技术可以对目的基因进行定点插入、敲除和置换。基于CRISPR-Cas9的基因编辑技术是继锌指核酸酶和转录激活样效应物核酸酶之后的第3代基因编辑技术。近年来,CRISPR-Cas9系统作为研究的热点被广泛应用于医学、药学、植物学、动物学和微生物学等领域,但其在植物次生代谢物领域的应用还处于探索时期。阐述了基于CRISPR-Cas9基因编辑技术的发展历程、工作原理和几种常用的基因编辑方法及其应用实例,总结了CRISPR-Cas9技术在对植物次生代谢产物研究方面的应用。利用CRISPR-Cas9系统可对植物基因组进行定点敲除、突变和插入,以达到提高植物次生代谢物含量、改良作物品质和提高植物抗性等目的。该技术已在植物次生代谢物生物合成关键酶基因的编辑等方面显示出越来越重要的作用。     

CRISPR-Cas9技术的原理及其在猪研究中的应用

成簇的规律间隔的短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)及其相关蛋白(CRISPR-associated proteins,Cas)是细菌和古生菌中抵抗外源病毒或质粒入侵的获得性免疫系统,目前已经被广泛应用于动物基因组编辑。现回顾CRISPR-Cas9系统的发展历程并比较其与锌指核酸酶(ZFNs)、类转录激活因子效应物核酸酶(TALENs)技术的优势,详细介绍了CRISPR-Cas9系统的组成成分和各组分的功能以及其编辑基因组的原理,着重梳理了CRISPR-Cas9系统在猪生产性能、抗病育种、人类模式动物构建和异种器官移植方面的最新研究进展,以期为CRISPR-Cas9系统的进一步应用提供参考。     

CRISPR-Cas系统的研究进展及应用

CRISPR-Cas系统是一种靶向基因编辑工具,操作简单,逐渐取代人工锌指核酸酶(ZFN)和类转录激活因子效应物核酸酶(TALEN)而成为近年的研究热点。Cas9蛋白能在一段小的RNA引导下特异性结合并切割DNA,在基因组结构和功能学研究中发挥重要作用。后来发现的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。我们对CRISPR-Cas系统近年的研究发现做了简要概述,并对该系统作为一种工具在基础研究、生物工程、疾病治疗上的应用进行了总结。     

Non-viral and viral delivery systems for CRISPR-Cas9 technology in the biomedical field

The clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)-associated protein 9(CRISPR-Cas9) system provides a novel genome editing technology that can precisely target a genomic site to disrupt or repair a specific gene. Some CRISPR-Cas9 systems from different bacteria or artificial variants have been discovered or constructed by biologists, and Cas9 nucleases and single guide RNAs(sgRNA) are the major components of the CRISPR-Cas9 system. These Cas9 systems have been extensively applied for identifying therapeutic targets, identifying gene functions, generating animal models, and developing gene therapies.Moreover, CRISPR-Cas9 systems have been used to partially or completely alleviate disease symptoms by mutating or correcting related genes. However, the efficient transfer of CRISPR-Cas9 system into cells and target organs remains a challenge that affects the robust and precise genome editing activity. The current review focuses on delivery systems for Cas9 mRNA, Cas9 protein, or vectors encoding the Cas9 gene and corresponding sgRNA. Non-viral delivery of Cas9 appears to help Cas9 maintain its on-target effect and reduce off-target effects, and viral vectors for sgRNA and donor template can improve the efficacy of genome editing and homology-directed repair. Safe, efficient, and producible delivery systems will promote the application of CRISPR-Cas9 technology in human gene therapy.     

Homology-based repair induced by CRISPR-Cas nucleases in mammalian embryo genome editing

Recent advances in genome editing, especially CRISPR-Cas nucleases, have revolutionized both laboratory research and clinical therapeutics. CRISPR-Cas nucleases, together with the DNA damage repair pathway in cells, enable both genetic diversification by classical non-homologous end joining (c-NHEJ) and precise genome modification by homology-based repair (HBR). Genome editing in zygotes is a convenient way to edit the germline, paving the way for animal disease model generation, as well as human embryo genome editing therapy for some life-threatening and incurable diseases. HBR efficiency is highly dependent on the DNA donor that is utilized as a repair template. Here, we review recent progress in improving CRISPR-Cas nuclease-induced HBR in mammalian embryos by designing a suitable DNA donor. Moreover, we want to provide a guide for producing animal disease models and correcting genetic mutations through CRISPR-Cas nuclease-induced HBR in mammalian embryos. Finally, we discuss recent developments in precise genome-modification technology based on the CRISPR-Cas system.Supplementary InformationThe online version of this article (10.1007/s13238-021-00838-7) contains supplementary material, which is available to authorized users.     

基因修饰技术研究进展

基因修饰技术是用于基因组定点改造的分子工具,目前主要有锌指核酸酶(ZFN)技术、转录激活子样效应物核酸酶(TALEN)技术和CRISPR-Cas核酸酶(CRISPR-Cas)技术。这些核酸酶都可以在DNA靶位点产生双链断裂(DSB),诱发细胞内源性的修复机制,激活体内非同源末端连接(NHEJ)或同源重组(HR)两种不同的修复机制,从而实现内源基因的敲除或外源基因的定点敲入。近年来,基因修饰技术已成功应用到细菌、酵母、人类细胞、果蝇、斑马鱼、小鼠、大鼠、家畜、食蟹猴、拟南芥、水稻、烟草、玉米、高粱、小麦和大麦等多种生物,显示了其强大的基因编辑优势。特别是新近出现的CRISPR-Cas9技术,降低了成本,使基因编辑变得简洁、高效和易于操作,得到了很多研究人员的关注。本文系统介绍了以上3种技术的原理及最新研究进展,并对未来的研究和应用做出了展望。     

CRISPR-Cas9研究进展及在基因治疗上的应用

CRISPR-Cas9[Clustered regularly interspaced short palindromic repeats（CRISPR）/CRISPR-associated （Cas）9]是近年兴起的一种高特异性和高效的基因编辑新技术,由向导RNA（single guide RNA,sgRNA）和cas9（CRISPR-associated 9）蛋白组成,引起DNA位点特异性双链断裂（double-strand breaks,DSBs）,引发同源重组修复（homology-directed repair,HDR）或非同源末端连接修复（non-homologous end joining,NHEJ）,达到靶基因修饰的作用。CRISPR-Cas9技术自发现以来,因其便于操作、花费较低、高特异性、可同时打靶任意数量基因等优点而被应用。近年研究显示,对于一些遗传性疾病,可通过CRISPR-Cas9精确的基因编辑破坏致病的内源基因、改正引起疾病的突变体或插入新的保护性基因进行治疗,该技术为基因治疗开启了一个新方向。主要从CRISPR-Cas9结构、作用机制及在疾病基因治疗上的应用等方面进行了综述。     

CRISPR-Cas9系统在疾病模型中的应用

规律成簇间隔短回文重复（CRISPR）及相关核酸内切酶（Cas）系统是最近发现的一种关于RNA指导核酸内切酶的基因编辑技术,这一技术的发现促进了生物学和医学研究的发展。CRISPR-Cas9系统的简便性使其广泛应用于细胞基因组编辑、动物模型的构建及疾病模型的基因治疗。现就CRISPR-Cas9系统的结构特点、作用机制及应用进行了综述。     

基于CRISPR-Cas9技术的基因治疗研究进展

CRISPR-Cas9系统是细菌在与噬菌体抗争的进化过程中产生的一种抵御外源DNA入侵的机制,能有效识别并剪切外源DNA。基于其识别切除外源DNA的原理,CRISPR-Cas9系统被开发成为新一代基因编辑工具。与ES打靶、ZFN、TALEN等技术途径相比,CRISPR-Cas9系统操作简便、效率高、成本低,有着极其广阔的应用前景。本文整理了近年内有关CRISPR-Cas9系统的最新文献报道,对该系统工作原理以及针对基因治疗的研究进展进行综述。     

非人灵长类基因修饰模型研究进展

非人灵长类动物在生命科学基础研究和生物医药研究领域具有非常重要的地位。近年来随着慢病毒载体转染及靶向核酸酶(ZFN,TALEN,CRISPR/Cas9)等基因操作技术的出现,科学家们成功地获得了外源基因过表达的转基因猴和目的基因定点切割的基因编辑猴。文中对目前利用慢病毒载体获得转基因猴和利用靶向核酸酶获得基因编辑猴的研究进展进行了综述,并讨论了基因修饰猴的嵌合体现象、脱靶现象及非人灵长类动物较长性成熟时间这几个影响非人灵长类基因修饰模型推广应用的因素,最后展望了非人灵长类基因修饰模型构建技术的研究热点及发展趋势。