CRISPR/Cas系统在抗病毒研究中的应用

近年来,CRISPR/Cas系统因其效率高、靶向性强、易操作等优势,已被广泛应用于多种病毒研究中。本文首先简单介绍了CRISPR/Cas系统的分类,并比较了Cas9和Cas12a与Cas13a的特点;其次重点介绍了CRISPR/Cas9通过靶向破坏病毒基因组,或编辑宿主关于病毒生命周期的关键因子的策略在抗病毒方面的各种应用,CRISPR/Cas13a采用靶向破坏病毒基因组方法在抗病毒中的应用,以及CRISPR/Cas12a和CRISPR/Cas13a在病毒基因检测中的应用。最后讨论了CRISPR/Cas在病毒研究中面临的挑战,并讨论了CRISPR/Cas12a作为抗病毒工具的潜在应用前景。由于CRISPR/Cas系统自身的优势,预计该系统将会给病毒相关的疾病诊断和控制带来革命性的变化。     

CRISPR/Cas系统抵抗人类病毒感染的研究进展

CRISPR/Cas系统是细菌抵抗噬菌体感染的一种机制,细菌利用小RNA分子作为引导序列,引导核酸内切酶对噬菌体基因组进行序列特异性的剪切。利用这一特点,CRISPR/Cas已被改造并广泛用于人类细胞的基因编辑。近年来,CRISPR/Cas系统在抵抗人类病毒感染中的应用潜力备受关注。CRISPR/Cas系统可直接剪切病毒基因组,或编辑对病毒复制高度依赖的宿主因子。此外CRISPR/Cas系统还被开发为高度敏感的病毒检测工具。本文就CRISPR在抵抗人类病毒感染方面的研究进展进行综述。     

基于CRISPR/Cas9系统在全基因组范围内筛选功能基因及调控元件研究进展

CRISPR/Cas9系统是一种近年来被广泛应用于基因组编辑的强大工具。通过将CRISPR/Cas9系统中的Cas9蛋白突变后,使其失去剪切活性而成为dCas9 (nuclease-dead Cas9),再结合基因功能丧失(loss-of-function,LOF)、基因功能激活(gain-of-function, GOF)以及非编码功能基因鉴定技术即可实现全基因组高通量的功能基因及调控元件靶向鉴定和筛选。目前,该技术已被广泛应用于疾病免疫机理、药物靶点筛选和动物遗传育种等研究,为生命医学和基础科学带来了全新高效的技术方法和研究思路。本文综述了基于CRISPR/Cas9技术在全基因组中高通量筛选功能基因及调控元件的方法及研究进展,重点阐述了CRISPR/Cas9系统在动物细胞中筛选功能性基因的方法,以期为基因编辑及相关研究领域提供参考。     

CRISPR/Cas9全基因组筛选在生命科学中的应用

全基因组筛选是系统性分析基因组的有力工具,可在全基因组范围内发现具有特定生物学功能的基因或DNA元件。基于CRISPR/Cas9基因编辑技术的全基因组筛选具有高通量和高效率的特点,已被广泛应用于疾病机理和药物开发等研究,为临床治疗提供科学用药依据。同时,CRISPR/Cas9筛选可靶向启动子、增强子和长链非编码RNA等序列,解析其调控基因表达的功能。此外,将全基因组筛选与单细胞测序技术结合,可揭示细胞转录组差异,剖析基因功能关系。     

CRISPR基因组编辑技术在传染病致病机理研究和防诊治中的应用

CRISPR基因组编辑技术在基因操作和传染病研究等方面展现出巨大的应用前景,对于有效控制和治愈传染病具有重要价值。通过其构建的细胞、类器官和动物疾病模型,为探索传染病相关分子机制提供了极大便利。CRISPR筛选技术使得高通量鉴定传染病相关风险因子成为可能。基于CRISPR的新型分子诊断工具为病原体的检测提供了更灵敏和快速的方法。利用CRISPR工具敲入抗性基因或破坏风险基因和病毒基因组,有望实现预防或治疗传染病。本综述讨论了CRISPR基因组编辑技术在疾病模型制备、传染病风险因子筛选、病原体诊断和传染病防治中的应用,以期为后续传染病的研究和防诊治提供参考。     

CRISPR/Cas9切割痘病毒DNA抑制病毒复制

当前,CRISPR/Cas9系统靶向痘苗病毒的相关研究鲜有报道。该文采用了CRISPR/Cas9基因组定点编辑技术,以痘病毒为研究对象。在重组痘病毒WR-EGFP中针对EGFP基因序列设计不同靶点g RNAs,转染Cas9/g RNA质粒,同时感染WR-EGFP痘病毒,随后观察EGFP荧光表达、提取病毒基因组,通过PCR进行切口鉴定并运用错配酶切法验证CRISPR/Cas9对痘病毒靶点DNA切割的切口修复情况。与单独感染WR-EGFP组相比,转染了Cas9/g RNA174和Cas9/g RNA175质粒的EGFP荧光强度明显降低,表明CRISPR/Cas9抑制WR-EGFP病毒中EGFP基因的表达。相对定量PCR及错配酶切实验结果显示,CRISPR/Cas9切割靶点导致WR-EGFP病毒基因组产生了切口,并且存在DNA错配修复现象。最后,通过结晶紫染色法测定痘病毒的滴度,结果显示,经CRISPR/Cas9处理组的痘病毒滴度显著下降,即CRISPR/Cas9能够使痘病毒的复制能力显著地降低。综上所述,CRISPR/Cas9切割痘病毒基因组DNA并且抑制痘病毒复制。     

CRISPR/Cas9基因编辑技术在致瘤病毒感染研究中的应用

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〕基因编辑技术的发现源于真细菌和古细菌中CRISPR/Cas系统介导的适应性免疫机制研究。该技术利用特异性向导RNA识别靶点基因,引导核酸内切酶Cas9对其切割,并通过同源重组或非同源末端连接完成对目的DNA的编辑。某些病毒感染机体后,可将其基因组整合到宿主细胞基因组中或潜伏于组织中而无法被彻底清除,从而引起持续性感染。本文参考2013年以来CRISPR/Cas9基因组编辑技术的最新相关研究报道,重点综述其在人类免疫缺陷病毒1型(human immunodeficiency virus type 1,HIV-1)、人乳头瘤病毒(human papillomavirus,HPV )、乙型肝炎病毒(hepatitis B virus, HBV)、 Epstein-Barr病毒(Epstein-Barr virus,EBV)等致瘤病毒感染相关疾病研究中的应用,并概括其作用于这些病毒的有效靶点。     

基于CRISPR/Cas9系统筛选猪流行性腹泻病毒复制相关基因及其验证

【背景】成簇规律间隔的短回文重复序列相关蛋白(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein,CRISPR/Cas9)已被广泛证实是高效、强大的第三代基因编辑工具,在发现功能基因等领域取得了重要进展,但至今尚无利用该方法挖掘猪流行性腹泻病毒(porcine epidemic diarrhea virus,PEDV)宿主基因的报道。【目的】利用CRISPR/Cas9系统在全基因组范围内筛选PEDV复制相关基因,并进行候选基因的初步验证,为培育抗PEDV种猪提供科学参考。【方法】通过CRISPR/Cas9技术构建人肝癌细胞系(Huh-7)全基因组敲除文库,利用PEDV感染Huh-7文库细胞,随后经过高通量测序筛选影响PEDV复制的关键宿主因子,结合基因干扰和检测病毒效价等相关试验对影响PEDV复制的候选基因进行初步验证。【结果】构建了CRISPR/Cas9系统在全基因组范围内筛选PEDV复制相关基因的方法,将富集程度排名靠前的整合素α11(integrin α11,ITGA11)、哺乳动物复制蛋白A2(replication protein A2,RPA2)、驱动蛋白家族成员2A(kinesin family member 2A,KIF2A)、诱导髓系白血病细胞分化蛋白1(induced myeloid leukemia cell differentiation protein 1,MCL1)、多聚ADP核糖化酶1[poly(ADP-ribose)polymerase 1,PARP1]和囊泡单胺转运蛋白(vesicular monoamine transporter,SLC18A1)基因进行了验证;采用siRNA对上述基因分别进行干扰后,结果与对照组相比,干扰ITGA11可显著降低PEDV猪源靶向细胞IPEC-J2中PEDV-NmRNA、蛋白表达水平及子代病毒滴度。【结论】基于CRISPR/Cas9系统的全基因组敲除文库可作为挖掘PEDV复制相关功能基因的有效工具,ITGA11基因可作为一种制备抗PEDV猪种潜在的靶基因。     

CRISP R/Cas9介导的基因组编辑技术在食药用菌中的研究进展

CRISPR/Cas9凭借其独特的技术优势成为目前最成功的基因编辑技术。本文综述了CRISPR/Cas9介导的基因组编辑技术在双孢蘑菇、球孢白僵菌、蛹虫草、灰盖鬼伞、灵芝、裂褶菌、竹黄、玉蜀黍黑粉菌和金针菇等食药用菌中应用的研究进展,分析了目前食药用菌CRISPR/Cas9系统研究中存在的关键问题及可能的解决方案。CRISPR/Cas9系统有望在食药用菌分子育种、多基因功能研究和高通量基因筛选方面发挥重要作用。     

CRISPR/Cas9系统在培育抗病毒植物新种质中的应用

随着CRISPR/Cas9系统在基因组编辑技术上的开发和完善,CRISPR/Cas9系统在应用于动物病毒感染性疾病防治并取得相当成效的同时,也逐步被应用到对植物病毒基因组进行高效靶向修饰的研究中。CRISPR/Cas9系统对基因组靶向修饰作用不仅实现了对植物DNA病毒基因组序列的编辑,还展示了其有效作用于植物RNA病毒基因组的潜力,同时CRISPR/Cas9系统还能在基因转录和转录后调控水平发挥作用,说明该系统具有通过多种途径调控植物病毒复制的潜能。相对其他植物病毒病防治策略,该系统对病毒基因组的编辑更精准、对基因表达的调控更稳定,对病毒病的抗性也更为广谱。本文将CRISPR/Cas9系统与其他植物病毒病防治策略进行了比较,概述了该系统在培育植物抗病毒病新种质中的优势,分析了其具体应用在该领域中面临的主要问题,讨论了该系统在培育抗病毒植物新种质应用中的发展趋势。     

病毒功能性受体的筛选新策略及其应用

病毒通过与靶细胞表面的特异性受体结合,进而吸附、入侵靶细胞,劫持细胞的复制机器完成自身的复制周期。细胞受体作为病毒入侵宿主的门户,细胞受体的结构与功能及其介导病毒入侵的机制一直是病毒学研究的热点之一。对细胞受体的研究有助于了解病毒的致病机制并为病毒性疾病的防控提供科学依据。近年来,利用功能缺失性基因组学筛选病毒功能性受体的进展极大地拓展了人类对病毒入侵机制的认识和理解。目前,应用较为广泛的病毒功能性受体筛选策略包括RNA干扰技术、利用单倍体细胞系随机插入逆转录病毒致突变技术以及基于CRISPR/Cas9系统的新型编辑技术。本文系统介绍并比较了这三种病毒功能性受体筛选新策略,同时对其应用及优缺点进行了归纳总结,可为相关研究者提供一定的参考。     

Construction of a One-Vector Multiplex CRISPR/Cas9 Editing System to Inhibit Nucleopolyhedrovirus Replication in Silkworms

Recently the developed single guide(sg)RNA-guided clustered regularly interspaced short palindromic repeats/associated protein 9 nuclease(CRISPR/Cas9) technology has opened a new avenue for antiviral therapy. The CRISPR/Cas9 system uniquely allows targeting of multiple genome sites simultaneously. However, there are relatively few applications of CRISPR/Cas9 multigene editing to target insect viruses. To address the need for sustained delivery of a multiplex CRISPR/Cas9-based genome-editing vehicle against insect viruses, we developed a one-vector(pSL1180-Cas9-U6-sgRNA) system that expresses multiple sgRNA and Cas9 protein to excise Bombyx mori nucleopolyhedrovirus(BmNPV) in insect cells.We screened the immediate-early-1 gene(ie-1), the major envelope glycoprotein gene(gp64), and the late expression factor gene(lef-11), and identified multiple sgRNA editing sites through flow cytometry and viral DNA replication analysis. In addition, we constructed a multiplex editing vector(PSL1180-Cas9-sgIE1-sgLEF11-sgGP64, sgMultiple) to efficiently regulate multiplex gene-editing and inhibit BmNPV replication after viral infection. This is the first report of the application of a multiplex CRISPR/Cas9 system to inhibit insect virus replication. This multiplex system can significantly enhance the potential of CRISPR/Cas9-based multiplex genome engineering in insect virus.     

快速构建CRISPR/Cas9基因组靶向编辑系统

CRISPR/Cas9核酸酶作为一种新的基因组靶向编辑技术,已成功应用于多种动植物基因组修饰研究. CRISPR/Cas9作用后的阳性细胞筛选和富集是该技术的关键之一. 本研究以鸡EAV-HP（endogenous avian retrovirus-HP）基因和MSTN（myostatin）基因为例,从靶位点的选择、表达载体构建、双基因报告载体构建和核酸酶活性验证4个方面,系统研究了CRISPR/Cas9核酸酶技术平台. 结果表明,利用寡聚核苷酸直接退火方法,构建表达载体和报告载体的阳性率分别高达100%和89.5%. 报告载体的PuroR（puromycin resistant gene）和eGFP（enhanced green fluorescent protein）基因的成功表达表明,构建的CRISPR/Cas9系统能有效切割靶序列,并用于后续阳性克隆的筛选和富集. 本方法摒弃了传统分子克隆的PCR扩增和酶切处理目标基因的方法,而是利用寡聚核苷酸直接退火获得含有黏性末端的目标DNA,简化了载体构建过程,低成本且快速获得CRISPR/Cas9基因组靶向编辑系统.     

机器学习方法在CRISPR/Cas9系统中的应用

基于CRISPR/Cas9系统介导的第三代基因组定点编辑技术,已被广泛应用于基因编辑和基因表达调控等研究领域。如何提高该技术对基因组编辑的效率与特异性、最大限度降低脱靶风险一直是该领域的难点。近年来,机器学习为解决CRISPR/Cas9系统所面临的问题提供了新思路,基于机器学习的CRISPR/Cas9系统已逐渐成为研究热点。本文阐述了CRISPR/Cas9的作用机理,总结了现阶段该技术面临的基因组编辑效率低、存在潜在的脱靶效应、前间区序列邻近基序(PAM)限制识别序列等问题,最后对机器学习应用于优化设计高效向导RNA (sgRNA)序列、预测sgRNA的活性、脱靶效应评估、基因敲除、高通量功能基因筛选等领域的研究现状与发展前景进行了展望,以期为基因组编辑领域的研究提供参考。     

CRISPR-Cas9基因编辑技术在病毒感染疾病治疗中的应用

CRISPR-Cas9基因编辑技术是基于细菌或古细菌CRISPR介导的获得性免疫系统衍生而来,由一段RNA通过碱基互补配对识别DNA,指导Cas9核酸酶切割识别的双链DNA,诱发同源重组或非同源末端链接,进而实现在目的DNA上进行编辑。病毒通过特异的受体侵染细胞,其基因组在细胞内发生复制、转录、翻译等过程完成其生活周期,某些DNA病毒或逆转录病毒基因组会整合到宿主基因组中。基因治疗是病毒感染疾病治疗的新趋势。因此,基因编辑技术在持续感染的病毒或潜伏感染病毒疾病治疗中具有重大的潜在意义。文章主要从CRISPR-Cas9作用机制以及在病毒感染疾病治疗中的应用等方面进行了综述。     

植物基因组编辑检测方法

以CRISPR/Cas9技术为代表的基因组编辑在生物领域的革命性应用使得生命科学研究迈入新篇章。该技术以其灵活性、易用性且扩展性强等优势,大大加快了基因工程研究,也加速了植物分子育种的步伐。但是,遗传转化过程中产生大量潜在的基因编辑植株,使得早期高通量快速筛选和检测目标编辑植株面临很大挑战。本文综述了近年来植物基因组编辑检测的各种方法,比较了其优缺点和适用范围;同时,还对近几年植物基因组编辑检测方法的发展趋势进行了深入分析和展望,以期对基因组编辑技术在植物中的应用提供参考。     

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。     

The CRISPR/Cas9 revolution continues: From base editing to prime editing in plant science

The ability to precisely inactivate or modify genes in model organisms helps us understand the mysteries of life. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)/CRISPR-associated protein 9(Cas9), a revolutionary technology that could generate targeted mutants, has facilitated notable advances in plant science. Genome editing with CRISPR/Cas9 has gained great popularity and enabled several technical breakthroughs. Herein, we briefly introduce the CRISPR/Cas9, with a focus on the latest breakthroughs in precise genome editing(e.g., base editing and prime editing), and we summarize various platforms that developed to increase the editing efficiency, expand the targeting scope, and improve the specificity of base editing in plants. In addition, we emphasize the recent applications of these technologies to plants. Finally, we predict that CRISPR/Cas9 and CRISPR/Cas9-based genome editing will continue to revolutionize plant science and provide technical support for sustainable agricultural development.     

CRISPR/Cas9 系统：脑与认知科学研究的一个重要工具

在生命科学领域,大脑如何工作一直是最具神秘性和最有挑战性的科学问题之一。了解认知与记忆的分子和神经基础不仅可以帮助我们探索神经障碍和精神紊乱的发病机理,并且为类脑人工智能提供了理论基础。现如今已经发展出各种神经技术来解决这个终极生物学问题,其中包括分子遗传学工具（比如GEVIs和viral trans-synaptic labelling vectors）,来进行神经回路活性与神经解剖学成像。作为一个强有力的遗传学工具,从基因组编辑到基因表达控制,从细胞成像到分子追踪,CRISPR/Cas9系统已经在各科学领域掀起了一场革命。在该综述中,我们讨论了CRISPR/Cas9技术在神经科学中的应用与局限。最后,为研究认知与记忆的神经基础提供了改进CRISPR/Cas9技术的潜在方向与策略。