羊乳"人源化"改造的两大利器——TALEN和CRISPR/Cas9的应用研究进展

羊乳是一种理想的牛乳过敏症患者的替代乳品,TALEN和CRISPR/Cas9基因编辑技术是羊乳"人源化"改造的两大利器,能够与核酸内切酶相结合,特异性识别并结合生物体基因位点,切割DNA双链,导致双链断裂.通过同源重组(homologous recombination,HR)或非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ),可以对哺乳动物乳蛋白基因或其他生物体基因组进行定向精确修饰,具有简单、高效、精准、定向等特点,是近年来一种新兴的生物技术,被广泛应用于基因工程、动植物遗传育种及其他生物医学各领域.但在羊乳"人源化"改造中的应用综述研究尚未见报道,故本文主要对这两种基因编辑技术的基本结构与作用机理、发展历史、羊乳基因编辑研究进展、本课题组研究现状及展望进行综述,以期为相关研究提供参考.     

基因修饰小鼠构建的革命:CRISPR/Cas9技术

基因修饰小鼠在研究人类疾病致病机理和治疗手段中起到了关键作用。传统的小鼠基因组编辑使用胚胎干细胞(ES细胞),虽然可以对内源基因进行精细的修改,但是复杂、繁琐并且耗时。近几年发展的人工核酸酶可以在靶位点切割DNA双链,诱发细胞内源性修复机制,发生同源重组修复或非同源末端连接,从而提高了基因组编辑的效率。从ZFN到TALEN再到CRISPR/Cas9技术,新型基因组编辑技术正以惊人的速度渗入到生命科学的各项研究工作中。将对新型基因组编辑技术进行介绍,着重阐述CRISPR/Cas9系统介导的基因编辑技术在基因修饰小鼠中的应用,比较该系统与其他方法的优越性和不足,并对该系统进行展望。     

基于CRISPR/Cas系统的DNA碱基编辑研究进展

基于CRISPR/Cas的基因编辑是近年发展起来的一项变革性生物技术。其过程包括在目标DNA位点引入双链断裂(double strand break,DSB)以及其后续的细胞修复。细胞修复DSB主要有两种方式：非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)以及同源重组介导的修复(homology-directed repair,HDR)。前者是大多数细胞修复DSB的主要方式,其特点在于修复简单、效率高但极易出错,往往会引发难以预测的核苷酸插入或删除。点突变是自然界中最常见的遗传突变类型,引起了超过半数的人类遗传疾病以及许多重要农艺性状变异。碱基编辑能够实现单个碱基的替换,既不需要引入DSB,又无需修复模板参与,具有高效、编辑结果可控等优点,在基因治疗、作物育种及生物技术研究等方面具有重大的应用潜能。自首个碱基编辑工具开发以来,碱基编辑相关技术得到快速发展及广泛应用。本文综述了目前DNA碱基编辑研究进展,重点阐述了碱基编辑器及其在编辑效率、精度以及特异性提高和编辑范围扩展等方面的最新进展以及仍存在的瓶颈,并展望其研究和应用前景。     

利用CRISPR/Cas9系统和TALEN技术干预XIST基因的表达

XIST是维持雌性哺乳动物X染色体稳定失活的重要长链非编码基因。X染色体失活异常导致X连锁基因的过量表达从而参与了癌症等疾病的发生。干预XIST的表达在XIST的生物学功能和相关疾病发生的研究中是必不可少的。该研究利用CRISPR/Cas9系统和TALEN技术在293T细胞中对已知的XIST核心启动子进行编辑,建立了通过酶切、测序等鉴定突变效率的方法,并且结合极限稀释法、片段分析和TA克隆测序得到基因型确定的XIST低表达的单克隆细胞系。结果显示,CRISPR/Cas9和TALEN对XIST核心启动子的突变可以有效地抑制XIST的表达。该研究表明,针对XIST核心启动子的基因组编辑可以干预XIST的表达,这为长链非编码RNA基因的敲低提供了新的思路。     

细菌中CRISPR/Cas系统的应用和优化

成簇规律间隔短回文重复序列(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)系统在近年来得到越来越广泛的应用。相比传统的基因组编辑技术,CRISPR/Cas系统具有编辑效率高、特异性强、花费低、对实验技术要求低等优势。其中Ⅱ型和Ⅴ型CRISPR/Cas系统分别仅需要单个Cas9蛋白和单个Cpf1蛋白作为切割双链DNA的工具,因此特别受到研究者们的青睐。目前CRISPR/Cas9技术已成功应用于斑马鱼、小鼠、人类细胞等真核生物的基因组编辑中,并取得一系列重要成果,但在细菌领域进行的相关研究并不多。文中将简单描述CRISPR/Cas系统及其作用机制,重点介绍该系统的优化以及近年来其在细菌学领域所取得的进展。     

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系统在昆虫中的应用

CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeat/CRISPR-associated nuclease 9)技术是一种RNA引导的基因组靶向编辑技术,能对基因组序列进行精确编辑,在探究基因功能、修复受损基因、沉默有害基因、改良品质性状等方面具有广阔的应用前景。近年来,随着对CRISPR/Cas9系统研究的不断深入和改造,该系统以其操作简易、省时、高效等优点在生物学研究的众多领域中得以推广和应用,特别是在果蝇(Bombyx mori)、家蚕(silkworm)、埃及伊蚊(Aedes aegypti)和蝴蝶(butterfly)等多种昆虫中。本文概述了CRISPR/Cas9的结构、作用原理及发展优化,总结了CRISPR/Cas9导入昆虫的策略和在昆虫中的应用,以及对CRISPR/Cas9系统产生脱靶问题的应对策略,以期对经济昆虫和有益昆虫的分子育种、害虫的生物技术防控等研究提供参考。     

CRISPR/Cas9技术在微生物研究中的应用进展

CRISPR(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)/Cas(CRISPR associated proteins)系统是在细菌和古生菌中发现的一种RNA指导的降解入侵病毒或质粒DNA的适应性免疫系统。由II型CRISPR/Cas系统改造而成的CRISPR/Cas9技术已经被开发成一种强大的基因组编辑和表达调控工具,并且广泛应用于基因功能研究、代谢工程和合成生物学等领域。本文从CRISPR/Cas9系统的发现过程、分类、作用原理、在微生物研究中的应用进展等方面进行总结,并展望了该技术的应用前景。     

基于CRISPR/Cas系统的噬菌体基因组编辑

对原核生物获得性免疫系统CRISPR/Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR- associated genes)的研究促进了新一代基因组编辑工具的产生和发展。噬菌体既是原核生物CRISPR阵列(CRISPR array)进化的原动力,又是CRISPR/Cas系统防御的对象。噬菌体功能基因组学研究的速率却落后于发现新噬菌体和测定基因组序列的速率。基于CRISPR/Cas系统的噬菌体基因组编辑,可为噬菌体功能基因组学研究提供新手段。本文评述了基于CRISPR/Cas系统编辑噬菌体基因组的几例开创性研究,并且比较了多种操作程序的异同点和优缺点。同时,进一步构建了联合使用CRISPR/Cas系统与噬菌体重组系统开展噬菌体基因组编辑的新方案,讨论了新方案的潜在局限性,并对如何选择不同方案给予了建议。     

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。     

Functional analysis of Bombyx Wnt1 during embryogenesis using the CRISPR/Cas9 system

Recently established, custom-designed nuclease technologies such as the clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)-associated system provide attractive genome editing tools. Targeted gene mutagenesis using the CRISPR/Cas9 system has been achieved in several orders of insects. However, outside of studies on Drosophila melanogaster and the lepidopteron model insect Bombyx mori, little success has been reported, which is largely due to a lack of effective genetic manipulation tools that can be used in other insect orders. To create a simple and effective method of gene knockout analysis, especially for dissecting gene functioning during insect embryogenesis, we performed a functional analysis of the Bombyx Wnt1 (BmWnt1) gene using Cas9/sgRNA-mediated gene mutagenesis. The Wnt1 gene is required for embryonic patterning in various organisms, and its crucial roles during embryogenesis have been demonstrated in several insect orders. Direct injection of Cas9 mRNA and BmWnt1-specific sgRNA into Bombyx embryos induced a typical Wnt-deficient phenotype: injected embryos could not hatch and exhibited severe defects in body segmentation and pigmentation in a dose-dependent manner. Quantitative real-time PCR (qRT-PCR) analysis revealed that Hox genes were down-regulated after BmWnt1 depletion. Furthermore, large deletion, up to 18 Kb, ware generated. The current study demonstrates that using the CRISPR/Cas9 system is a promising approach to achieve targeted gene mutagenesis during insect embryogenesis.     

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。     

The advancements,challenges, and future implications of the CRISPR/Cas9 system in swine research

Clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)/CRISPR-associated protein 9(CRISPR/Cas9) genome editing technology has dramatically influenced swine research by enabling the production of high-quality disease-resistant pig breeds, thus improving yields. In addition, CRISPR/Cas9 has been used extensively in pigs as one of the tools in biomedical research. In this review, we present the advancements of the CRISPR/Cas9 system in swine research, such as animal breeding, vaccine development, xenotransplantation, and disease modeling. We also highlight the current challenges and some potential applications of the CRISPR/Cas9 technologies.     

CRISPR/Cas系统的分类及研究现状

CRISPR技术作为一种新型的基因编辑技术,被广泛应用于微生物、动物和植物领域。对CRISPR/Cas系统的起源、分类特点等进行了阐述,重点梳理了CRISPR/Cas系统分类的发展历程,并根据最新分类方法,介绍了不同类型的CRISPR/Cas系统的作用机制、内部不同蛋白的作用特点及应用与发展,以期探寻更多的CRISPR/Cas系统,扩大该系统的应用领域。