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。     

植物CRISPR基因组编辑技术的新进展

在过去的4年中,CRISPR/Cas9基因组编辑技术成为生命科学领域的革命性工具,为植物学基础研究和农作物遗传改良提供了高效、快速而又廉价的遗传操作工具。利用CRISPR/Cas9系统可以实现精准的knock-out和knock-in等遗传操作,也可用于靶向激活或抑制基因的表达。在CRISPR/Cas9被广泛地用于基因组编辑的同时,它的编辑能力、效率和精确度也在不断地改进和完善,特别是CRISPR/Cpf1系统的发掘和单碱基编辑技术的创建,使CRISPR系统正逐步成为一个理想的遗传工程技术平台。此外,利用CRISPR/Cas9技术改良的农作物品种也已经涌现,这必将推动精准基因组编辑技术在农作物遗传改良中的应用和发展。     

CRISPR/Cas9系统中sgRNA设计与脱靶效应评估

基于CRISPR/Cas9系统介导的第三代基因组编辑技术,已成功应用于动物、植物和微生物等诸多物种的基因组改造。如何提高CRISPR/Cas9技术的基因组编辑效率和最大限度降低脱靶风险一直是本领域的研究热点,而使用高效且特异的sgRNA(Small guide RNA)是基因组改造成功的关键性因素之一。目前,已有多款针对CRISPR/Cas9技术的sgRNA设计和/或脱靶效应评估软件,但不同的软件各有优缺点。本文重点对16款sgRNA 设计和脱靶效应评估在线和单机版软件的特点进行了阐述,通过制定38项评估指标对不同软件进行了比较分析,最后对11种用于检测基因组编辑效率和脱靶的实验方法,以及如何筛选高效且特异的sgRNA进行了归纳总结。     

Development of multiplex genome editing toolkits for citrus with high efficacy in biallelic and homozygous mutations

Plant Molecular Biology - We have developed multiplex genome editing toolkits for citrus that significantly improve citrus genome editing efficacy. CRISPR/Cas systems have been engineered for...     

Legal Regulation of Plant Genome Editing with the CRISPR/Cas9 Technology as an Example

The product-oriented and the process-oriented legal approaches to the regulation of genome editing technologies, CRISPR/Cas9 in particular, are considered. The relevant legislation of the United States and the European Union and some international treaties are analyzed. The issue of genome editing that is within the scope of GMO legislation and general legislation on risk assessment and regulation is addressed. The issue of patenting of gene editing technologies in the legislation of the United States and the European Union and under international law is considered. “Patent wars” between research teams that developed the CRISPR/Cas9 technology are described. The possibilities of obtaining patent protection for plants produced by genome editing are considered.     

CRISPR/Cas9系统在植物基因组编辑中技术改进与创新的研究进展

CRISPR/Cas9基因组编辑技术是一项对基因组进行精准修饰的技术,可实现对靶标基因的碱基插入、缺失或DNA片段替换。随着人们对CRISPR/Cas9系统的了解逐渐加深,其在科研、农业和医疗等领域的应用也越来越广泛。该文简要介绍了CRISPR/Cas9基因组编辑技术的发展以及工作原理,总结了近几年对该技术进行优化与改进的研究进展,包括基因组编辑效率的提升、基因组编辑范围的扩展、单碱基精准编辑以及多基因同时编辑、基因组编辑安全性的提升以及基因片段替换与基因靶向转录调控,以期为深入开展这一领域的研究提供参考。     

CRISPR/Cas9系统在植物基因组编辑中技术改进与创新的研究进展

CRISPR/Cas9基因组编辑技术是一项对基因组进行精准修饰的技术, 可实现对靶标基因的碱基插入、缺失或DNA片段替换。随着人们对CRISPR/Cas9系统的了解逐渐加深, 其在科研、农业和医疗等领域的应用也越来越广泛。该文简要介绍了CRISPR/Cas9基因组编辑技术的发展以及工作原理, 总结了近几年对该技术进行优化与改进的研究进展, 包括基因组编辑效率的提升、基因组编辑范围的扩展、单碱基精准编辑以及多基因同时编辑、基因组编辑安全性的提升以及基因片段替换与基因靶向转录调控, 以期为深入开展这一领域的研究提供参考。     

基因组编辑技术中供体DNA类型及选择

基因组编辑技术能够实现基因组的精确修饰和改造,是后基因组时代研究基因功能和遗传信息的主要手段。传统的基因打靶技术通过低效率的细胞自发同源重组实现目的基因的定点修饰。真核细胞中DNA双链断裂介导的同源重组效率远高于自发同源重组,利用人工核酸内切酶特异性地在基因组靶序列处引入双链断裂,通过提供适当形式的、含有一定长度同源臂的供体DNA,能够实现相对高效的基因组靶向编辑。本文系统总结了环状质粒、线性化质粒、聚合酶链式反应产物及单链寡聚脱氧核苷酸4种类型的供体DNA在基因组精确编辑研究中的应用及候选原则,以期为以后相关研究中供体DNA的选择、设计提供参考和借鉴。     

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。     

Development of aptamer-based inhibitors for CRISPR/Cas system

The occurrence of accidental mutations or deletions caused by genome editing with CRISPR/Cas9 system remains a critical unsolved problem of the technology. Blocking excess or prolonged Cas9 activity in cells is considered as one means of solving this problem. Here, we report the development of an inhibitory DNA aptamer against Cas9 by means of in vitro selection (systematic evolution of ligands by exponential enrichment) and subsequent screening with an in vitro cleavage assay. The inhibitory aptamer could bind to Cas9 at low nanomolar affinity and partially form a duplex with CRISPR RNA, contributing to its inhibitory activity. We also demonstrated that improving the inhibitory aptamer with locked nucleic acids efficiently suppressed Cas9-directed genome editing in cells and reduced off-target genome editing. The findings presented here might enable the development of safer and controllable genome editing for biomedical research and gene therapy.     

CRISPR/Cas9基因组编辑技术在癌症研究中的应用

CRISPR/cas9基因组编辑技术因其设计简单以及操作容易,使其在基因编辑的研究中越来越受到欢迎。利用该技术,科研人员可以实现在碱基的水平对基因组进行定点修饰。CRISPR系统现已经被广泛地应用到多个物种的基因组编辑以及癌症的相关研究中。本文在最新研究进展的基础上,结合对癌症研究及基因组编辑技术的理解,对CRISPR/Cas9技术在癌症研究中的应用进行了综述。     

基因组编辑技术在猪遗传改良中的应用

核酸酶介导的基因组编辑技术大幅度提高了编辑真核细胞基因组的能力,给生命科学领域带来了革命性地发展,也给猪的遗传改良带来了全新的契机。本文介绍了基因组编辑技术尤其是CRISPR/Cas9系统的发展以及各种天然存在的和人为改造的Cas9变体的作用特点;汇总了利用基因组编辑技术提高猪生产性能,尤其是改善猪肉品质和抵抗病毒感染的研究进展;分析了目前利用基因组编辑技术推进猪遗传改良所面临的挑战;最后,展望了基于基因组编辑技术的猪遗传改良和品种培育的发展趋势。     

动物基因组编辑中提升CRISPR/Cas9介导的同源重组效率研究进展*

基因组编辑技术可以对DNA或RNA进行精准改造,极大地促进了生命科学的发展。CRISPR/Cas9系统在靶位点诱导DNA发生双链或单链损伤,细胞对损伤部位采用无供体模板的非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)或有供体模板的同源重组(homologous recombination,HR)修复。基于HR的基因组编辑策略通常被用于获得DNA的精准改造,而NHEJ在动物DNA损伤修复中起主导作用。为了提升HR效率,研究人员设计了多种方案,包括CRISPR/Cas9系统优化和DNA修复通路调控等。从DNA损伤修复途径、Cas9变体选择、sgRNA设计、供体模板设计、DNA修复途径相关蛋白功能调控、供体模板募集效率提升、细胞周期调控及编辑细胞生存效率提升等方面详细综述了相关研究成果,发现尚未开发出放之四海而皆准的HR提升策略,基于HR的基因组编辑需要针对具体案例制定个体化策略。旨在为动物基因组编辑中提升CRISPR/Cas9介导的HR效率研究提供理论参考,为动物基因功能分析、基因治疗和经济动物基因编辑育种提供帮助。