基因编辑技术及其在畜牧业中的应用研究进展

基因编辑技术为畜牧业进行新型分子育种开创了新天地,传统的转基因技术由于整合位点不可控、遗传不稳定等因素而难以在畜牧业发挥作用。胚胎干细胞(ES细胞)和同源重组(HR)相结合可以做到定点整合、稳定遗传,但因为畜禽干细胞难以获得而无法推广。以锌指核酸酶(ZFN)、TALEN和CRISPR/Cas9为代表的新型基因编辑技术结合体细胞核移植(SCNT)以及显微注射技术,为畜禽遗传改良开辟了新思路。本综述了ES结合HR的传统基因编辑技术和ZFN、转录激活因子样效应物核酸酶(TALEN)和成簇有规律间隔的短回文重复序列(CRISPR)以及其相关蛋白(Cas9,Cpf1)的研究及其在畜禽基因编辑中的应用进展。     

CRISPR-CAS系统介导的新一代基因靶向修饰技术及其在工业微生物中的应用

Clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)/CRISPR-associated(Cas)是一种广泛存在于细菌和古细菌基因组中含有间隔重复序列的基因结构,可由RNA介导为细菌提供一种特异性免疫保护机制,抵御外来病毒、噬菌体的二次侵染。通过对CRISPR/CAS系统Ⅱ进行改造,该系统成为了继锌指核酸酶(ZFNs)和TALE核酸酶(TALENs)以来的另一种能够对基因组进行高效定点修饰的技术,具有灵活、高效、廉价且易于操作等优点。目前CRISPR/Cas技术已经应用于微生物、哺乳动物细胞、果蝇和水稻等多种生物体中,在基因修饰方面也取得了一定的成果。本文从CRISPR/Cas系统的结构、分类、基因组编辑的分子机制,以及在工业微生物中的应用和存在问题、前景等方面进行了综述。     

基因组编辑技术在昆虫功能基因组研究中的应用

基因组编辑技术是在生物基因组水平上对靶标序列进行定点编辑的一种重要手段。近年来,锌指核酸酶技术(ZFNs)、类转录激活因子核酸酶技术(TALENs)、成簇且规律间隔的短回文重复序列和相关Cas蛋白的DNA核酸内切酶系统(CRISPR/Cas)等基因组编辑技术的相继问世,为功能基因组的研究提供了有效的实验手段。这3种基因组编辑技术的基本工作原理都是通过定点切割基因组DNA双链,从而诱导内源性的修复机制产生定点突变。通过介绍这3种技术的国内外研究现状及发展趋势探讨了基因组编辑技术在昆虫科学中的应用发展前景。     

基因组编辑技术在植物中的研究进展与应用前景

外源DNA导入细胞并与基因组靶基因发生同源重组可以精确修饰或替换靶基因,但在植物中产生自发同源重组的概率很低.近几年出现的人工改造核酸酶可以大幅提高同源重组的效率,实现基因组的精确、定向改造.其中,归巢核酸酶、锌指核酸酶和TALE核酸酶已在植物基因工程中得到成功应用,最近开发出来的基于CRISPR/Cas系统的基因组编辑技术则更具有高效方便等特点.这些人工核酸酶的应用为植物基因工程的发展呈现了更加美好的前景.首先介绍了基因组编辑技术及其发展历程,随后详细阐述了提高植物基因组定点编辑效率的策略,最后对基因组编辑技术在农业和植物基因工程上的应用进行了展望.     

基因组编辑技术及其在昆虫遗传转化中的应用

锌指核酸酶、类转录激活因子式核酸酶和CRISPR/Cas技术是近几年发展起来的3种主要基因组编辑技术,其原理都是通过在生物基因组特定位点制造DNA双链断裂损伤,从而激活机体自身的DNA损伤修复机制,在此过程中引发各种变异。基因组编辑技术已在研究基因功能和基因修复中成功应用,基于基因组编辑技术的诸多优点,如CRISPR/Cas技术能对基因组中多个特定位点进行编辑,其有望成为昆虫遗传转化的主要策略。本文就锌指核酸酶、类转录激活因子式核酸酶和CRISPR/Cas技术的基本原理及其在昆虫中的应用做一简介,为今后利用基因组编辑技术进行昆虫遗传转化提供些许参考。     

CRISPR/Cas9技术及其在转基因动物中的应用

CRISPR/Cas9技术是一种新型的基因组定点编辑技术,具有设计简单、特异性强、效率高及可以在目标位点产生多种类型的编辑结果等特点,适用于在多种细胞中进行大规模的基因编辑。综述了CRISPR/Cas9技术的研究背景、基本原理和研究进展,从靶基因敲除(knock-out)、外源基因整合(knock-in)和目标基因转录沉默(knock-down)等方面总结了CRISPR/Cas9在转基因动物中的应用概况,并对现有的三种基因组定点编辑技术进行了比较。CRISPR/Cas9技术在转基因动物中具有明显的应用优势和良好前景。     

CRISPR/Cas9:基因编辑的新时代

基因编辑技术是通过核酸内切酶对基因组DNA进行定向改造的技术,可以实现对特定DNA碱基的缺失、替换等,常用的四种基因编辑工具分别是:巨型核酸酶、锌指核酸酶、转录激活因子样效应物核酸酶以及CRISPR/Cas9系统。其中CRISPR/Cas9系统作为一种新型的基因组编辑技术具有组成简单、特异性好、切割效率高的优点。该文对CRISPR/Cas9系统的结构组成和功能机制,动植物基因靶向编辑和人类在遗传性疾病、病毒感染性疾病以及肿瘤方面进行综述,旨在对CRISPR/Cas9系统的现状和发展进行总结和展望。     

人工核酸酶介导的基因组编辑技术

传统的基因组编辑技术是基于胚胎干细胞和同源重组实现生物基因组定向改造,但是该技术打靶效率低,严重制约了生命科学以及医学的研究.因此,研究新的基因组编辑技术十分重要.人工核酸酶介导的基因组编辑技术是通过特异性识别靶位点造成DNA双链断裂,引起细胞内源性的修复机制实现靶基因的修饰.与传统的基因组编辑技术相比,人工核酸酶技术打靶效率高,这对于基因功能的研究、构建人类疾病动物模型以及探索新型疾病治疗方案有着重要的意义.人工核酸酶技术有3种类型：锌指核酸酶(ZFN)、类转录激活因子核酸酶(TALEN)及规律成簇的间隔短回文重复序列(CRISPR).本文将对以上3种人工核酸酶技术的原理以及在生命科学和医学研究的应用进行综述.     

CRISPR/Cas9技术在感染性疾病中的应用

成簇的规律间隔的短回文重复序列及其相关蛋白9〔clustered regularly interspaced short palindromic repeat(CRISPR)/CRISPR-associated protein 9(Cas9),CRISPR/Cas9〕是一种新兴的基因编辑技术,与以前的三大基因编辑技术——归巢核酸内切酶、锌指核酸酶和转录激活因子样效应物核酸酶技术相比,其在靶向特异性、操作简便性、治疗彻底性、应用广泛性等方面具有更大的优势和发展潜力。艾滋病、乙型肝炎、疟疾等感染性疾病的治疗一直是医学上的重大难题,科学家正努力尝试利用CRISPR/Cas9技术解决这些医学难题。本文主要综述了CRISPR/Cas9技术在这些感染性疾病中应用的研究进展。     

基因前定点敲入FLAG标签表达的FLAG-SND1蛋白参与胞内应激颗粒的形成

CRISPR/Cas9 (clustered regularly interspaced short palindromic repeats-Cas9 nuclease) 基因编辑技术是近年来新兴的一种可以实现基因特异性敲除和敲入的技术。本文利用CRISPR/Cas9基因编辑系统,将3×FLAG标签定点敲入HeLa细胞SND1基因前方,使细胞内源性表达的SND1蛋白带有3×FLAG标签,并观察SND1与应激颗粒及加工体的定位情况。设计针对SND1基因起始密码子ATG附近的sgRNA,以px459为表达载体,构建出重组真核表达质粒。设计含有3×FLAG及待插入位置上下游150 bp同源臂的序列,经公司合成获得重组质粒。将2个质粒共同转染HeLa细胞,使用嘌呤霉素筛选阳性细胞,挑取单克隆后培养。Western 印迹表明,细胞表达3×FLAG-SND1融合蛋白质。提取细胞基因组DNA进行测序。测序无误获得稳定株后,用流式细胞术检测细胞周期和凋亡,发现与WT细胞相比无显著性差异。同时,使用0.5 mmol/L亚砷酸钠处理,细胞发生氧化应激,eIF2α蛋白磷酸化增加,胞浆中出现应激颗粒,SND1与应激颗粒标志蛋白TIAR存在共定位现象,但不存在与加工体蛋白DCP1α的共定位。     

基因前定点敲入FLAG标签表达的FLAG-SND1蛋白参与胞内应激颗粒的形成

CRISPR/Cas9 (clustered regularly interspaced short palindromic repeats-Cas9 nuclease) 基因编辑技术是近年来新兴的一种可以实现基因特异性敲除和敲入的技术。本文利用CRISPR/Cas9基因编辑系统,将3×FLAG标签定点敲入HeLa细胞SND1基因前方,使细胞内源性表达的SND1蛋白带有3×FLAG标签,并观察SND1与应激颗粒及加工体的定位情况。设计针对SND1基因起始密码子ATG附近的sgRNA,以px459为表达载体,构建出重组真核表达质粒。设计含有3×FLAG及待插入位置上下游150 bp同源臂的序列,经公司合成获得重组质粒。将2个质粒共同转染HeLa细胞,使用嘌呤霉素筛选阳性细胞,挑取单克隆后培养。Western 印迹表明,细胞表达3×FLAG-SND1融合蛋白质。提取细胞基因组DNA进行测序。测序无误获得稳定株后,用流式细胞术检测细胞周期和凋亡,发现与WT细胞相比无显著性差异。同时,使用0.5 mmol/L亚砷酸钠处理,细胞发生氧化应激,eIF2α蛋白磷酸化增加,胞浆中出现应激颗粒,SND1与应激颗粒标志蛋白TIAR存在共定位现象,但不存在与加工体蛋白DCP1α的共定位。     

基因组编辑技术及其在昆虫研究中的应用

基因组编辑技术是进行功能基因组研究的重要工具．锌指核酸酶技术（ZFNs）、类转录激活因子核酸酶技术（TALENs）以及CRISPR／Cas技术是近年来发展起来的3种主流基因组编辑技术．这3种基因组编辑技术的原理都是通过在生物基因组特定位点制造DNA断裂损伤,从而激活机体自身的DNA损伤修复机制,在此过程中引发各种变异．ZFNs是最早发展的通用基因组编辑技术,可用以实施定点敲除和定点敲入变异,但ZFNs技术的发展受限于构建难度大、成本高等缺点．TALENs技术在ZFNs基础上发展而来,较ZFNs技术而言,TALENs技术具备构建灵活度高、成本低等优势．不同于ZFNs与TALENs技术,CRISPR／Cas技术具有独特的DNA靶向机制,这种机制使其非常适合进行多位点编辑．目前,3种技术都在多种物种中成功测试,例如小鼠、斑马鱼、果蝇、线虫和家蚕．在后基因组时代,这些新技术工具必将在未来功能基因组研究中发挥重大作用．