CRISPR/Cas9技术在斑马鱼基因修饰中的应用

CRISPR/Cas9系统的应用促进了基因编辑技术的快速发展,现已成功地在不同模式生物中实现了高效的基因修饰,包括DNA序列的点突变、大片段删除以及外源基因的定向插入等。现就CRISPR/Cas9系统在斑马鱼模式动物中建立基因敲除和敲入品系的最新研究进展作一综述。     

两种密码子优化的Cas9编码基因在斑马鱼胚胎中基因敲除效率的比较

为在斑马鱼中获得特异且高效的基因敲除,多个实验室独立人工合成了序列彼此不一的Cas9 cDNA序列,并克隆入不同的体外转录载体。本文选取两种斑马鱼密码子优化的Cas9编码序列(zCas9_bz和zCas9_wc),对斑马鱼胚胎中的7个基因(外源egfp及内源chd、hbegfa、th、eef1a1b、tyr、tcf7l1a)分别进行敲除,通过PCR产物测序、克隆测序和表型分析比较了两种Cas9的敲除效率。结果发现,zCas9_wc在各种情况下都显现出较高的敲除效率,而zCas9_bz的效率相对较低。     

杀粉蝶菌素A1生物合成基因簇中甲基转移酶PieB2的功能

【目的】研究杀粉蝶菌素A1产生菌中甲基转移酶基因pieB2的功能。【方法】利用接合转移和同源重组双交换的方法,构建pieB2基因缺失突变株,以及利用接合转移的方法,构建回补菌株。通过高保真PCR克隆pieB2基因到表达载体pET28a上,构建质粒pJTU5997,转化入大肠杆菌E.coliBL21(DE3)/pLysE中诱导表达。利用高效液相色谱检测PieB2的体外酶活。【结果】获得了pieB2基因缺失的双交换突变株。发酵结果显示,该突变株不再产生杀粉蝶菌素A1,而是积累了一种脱甲基产物。N-末端融合组氨酸标签的PieB2在大肠杆菌中获得可溶性表达,通过体外催化证明了PieB2甲基转移酶的功能。【结论】体内遗传实验和体外生化实验证明了PieB2作为甲基转移酶在杀粉蝶菌素A1合成中的作用。     

glyA基因及其编码的丝氨酸羟甲基转移酶

glyA基因广泛存在于生物体中 ,其编码的丝氨酸羟甲基转移酶 (serinehydroxymethyltransferase,SHMT)催化丝氨酸和甘氨酸之间的相互转化 ,转化反应产生的 5,1 0 亚甲基四氢叶酸 (M THF)提供细胞新陈代谢—碳单位 ,此反应在细胞新陈代谢中处于重要地位。因此 ,研究 glyA基因及其编码的丝氨酸羟甲基转移酶具有重要的意义。介绍了 glyA基因的克隆、序列分析、调控组分和丝氨酸羟甲基转移酶的部分性质。     

组蛋白甲基转移酶G9a在表观遗传调控中的作用

组蛋白赖氨酸甲基化在表观遗传调控中起着关键作用。组蛋白甲基转移酶G9a(又称作常染色质组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶2(euchromatic histone-lysine N-methyltransferase 2,EHMT2))含经典的SET结构域,是常染色质主要的甲基转移酶之一,可以甲基化组蛋白H3K9、H3K27和H1bK26等。此外,G9a也可以直接甲基化一些非组蛋白,并与DNA甲基化密切相关。G9a功能紊乱可以导致胚胎发育异常、免疫系统及神经系统发育障碍、甚至癌症的发生发展。     

斑马鱼adgrf3a基因敲除品系的构建

adgrf3a基因编码的ADGRF3A蛋白是黏附类G蛋白偶联受体（aGPCRs）家族的一员,主要在受精后5 d的胚胎以及成年斑马鱼的头部和性腺中表达。它含有一个GPS蛋白水解位点和7个跨膜结构域,与G蛋白相互作用行使其功能。斑马鱼是研究早期发育和成体内生理和病理的重要模式生物。为了研究adgrf3a在斑马鱼早期发育中的作用,我们利用CRISPR-Cas9技术构建了adgrf3a基因敲除斑马鱼品系。首先,通过分析软件筛选出该基因的敲除位点,利用聚合酶链式反应扩增该基因的向导DNA(sgDNA),再以sgDNA为模板进行体外转录得到向导RNA(sgRNA)并纯化回收,将纯化后的sgRNA和Cas9蛋白共同注射到斑马鱼1细胞期胚胎中,得到F0代嵌合体。随后,对斑马鱼胚胎进行基因编辑的有效性检测,结果表明,注射的胚胎出现了碱基缺失的现象,即sgRNA有效,将剩余胚胎培养至成鱼。将嵌合体与野生型斑马鱼杂交所得的F1代斑马鱼进行基因型鉴定,筛选adgrf3a突变杂合子,并对其adgrf3a突变位点进行Sanger测序,建立能够稳定遗传的adgrf3a基因杂合突变品系。之后,adgrf3a突变杂合子...     

大肠杆菌丝氨酸羟甲基转移酶基因(glyA)的克隆和表达

利用插入失活及营养缺陷型互补法将大肠杆菌K12 13kb的glyA基因克隆到质粒pBR329中。将重组质粒酶切,亚克隆,确定2.6kb PstI-EcoRI亚克隆片段带有完整的glyA基因。共获得12株glyA基因重组菌,对重组质粒进行了酶切鉴定。不同重组菌丝氨酸羟甲基转移酶(SHMT)活性及其酶表达量均不相同。受体菌未检测到丝氨酸的产生。重组菌株JM109(pSM13)、K12(pSM13)、K12(pSM14)和K12(pSM15)SHMT酶表达量分别占全菌可溶性蛋白的15.7％、15.4％、11.8％和9.48％。     

斑马鱼elovl8缺失对抗冷胁迫下存活率及脂肪代谢的影响

研究利用CRISPR/Cas9技术构建了斑马鱼elovl8a-/-、elovl8b-/-和DKO(elovl8a和elovl8b)敲除模型,通过组织学观察、实时荧光定量PCR和脂肪酸组成分析等实验方法,探究了脂肪酸延长酶8(elovl8)缺失对斑马鱼抗冷胁迫能力的影响.结果表明elovl8缺失导致斑马鱼在低温环境下的存...     

摄食和饥饿对大口黑鲈游泳运动能力和低氧耐受的影响

为了研究摄食和饥饿对鱼类游泳运动能力和低氧耐受的影响; 以大口黑鲈(Micropterus salmoides)为对象, 在25℃下, 测定对照组(禁食2d)、摄食组(摄食后3h)和饥饿组(禁食16d)实验鱼的日常代谢率(RMR)、活跃代谢率(AMR)、代谢范围(MS)、临界游泳速度(U_crit)、临界氧压(P_crit)和失去平衡点(LOE)。研究显示摄食后实验鱼RMR显著提升, AMR没有显著变化, 而MS和U_crit显著下降(P<0.05); 饥饿后实验鱼RMR、AMR和MS均没有显著变化, 而U_crit显著下降(P<0.05); 摄食后实验鱼P_crit显著上升, 溶解氧(DO)高于P_crit时的代谢率(MR)与DO之间的关系的斜率显著大于对照组所对应的斜率, 而LOE没有变化(P<0.05); 饥饿后实验鱼P_crit和LOE均没有显著变化, 而DO 低于P_crit时的MR与DO之间的关系的斜率显著小于对照组所对应的斜率(P<0.05)。结果表明, 摄食削弱大口黑鲈游泳运动能力是因为“心鳃”系统对其有氧代谢能力的限制; 饥饿后大口黑鲈游泳运动能力下降可能与其无氧代谢能力下降相关; 摄食削弱大口黑鲈的低氧耐受, 而饥饿后其低氧耐受有所增强, 但大口黑鲈低氧耐受总体趋于保守。     

斑马鱼ints12的CRISPR/Cas9敲除及其对UsnRNA剪接的调控

整合因子(Integrator)复合体通过调控UsnRNAs(U-rich small nuclear RNAs)的转录成熟过程, 影响pre-mRNA的内含子剪切, 对生物体内形成成熟mRNA有重要作用。但是在脊椎动物中, 整合因子复合体的表达调控及其发育功能研究尚十分缺乏。研究利用斑马鱼(Danio rerio)模型, 通过CRISPR/Cas9技术构建了ints12 (Integrator subunit 12)的基因敲除品系, 得到了2种缺失不同碱基的突变品系。在ints12的合子突变体(Zints12)中, 通过荧光定量PCR分析, 发现UsnRNA的3′box剪切存在缺陷。与同龄的野生型斑马鱼相比, Zints12体型偏小且表现为全雄。进一步研究发现, 在Zints12成体中, 细胞增殖相关因子出现显著下调表达, ints12自身pre-mRNA的加工也出现内含子滞留, 表明ints12对自身mRNA的剪切存在一个“自循环”式的调控模式。研究获得了斑马鱼的ints12基因敲除纯合突变体并发现ints12通过调控UsnRNA的剪切参与斑马鱼的个体生长和发育。     

血红素加氧酶1在斑马鱼低氧应激中的保护作用研究

实验探讨了低氧条件下血红素加氧酶1（Ho1）对斑马鱼的保护作用。Real-time PCR结果显示,低氧条件下斑马鱼ho1 mRNA水平在斑马鱼胚胎和离体培养细胞ZF4中显著增加,而在成鱼的不同组织中呈现不同的反应。低氧处理24h后,斑马鱼脑、鳃和肝脏中ho1 mRNA表达量明显上升,而在心脏和肾脏中ho1 mRNA表达量显著降低。用锌原卟啉IX（ZnPPIX）抑制ZF4细胞ho1的表达,采用CCK8试剂盒检测细胞存活率,结果显示抑制ho1表达可导致低氧条件下ZF4细胞存活率明显降低。利用Hoechst染色和caspase 3活性检测发现,在低氧条件下抑制ho1表达后ZF4细胞的凋亡率较对照组显著增加,而Ho1的诱导剂可显著降低低氧条件下抑制组的细胞凋亡率。这些结果表明斑马鱼Ho1可能通过抗细胞凋亡发挥低氧保护作用。     

fbxo32基因在traf6缺失斑马鱼肝脏中的表达分析

为了进一步研究fbxo32在肝脏相关疾病中的作用,进行了traf6缺失斑马鱼Danio rerio肝脏的组织切片分析,结果显示斑马鱼traf6缺失个体表现出明显的肝萎缩特征,包括肝脏组织结构松散、肝细胞排列不规则及缺少肝脂肪滴等症状。同时荧光定量实验表明fbxo32 mRNA在检测过的野生型斑马鱼组织中均有一定量的表达,在肝脏中表达量较低而在卵巢中表达量较高。而与野生型斑马鱼相比, fbxo32 mRNA在traf6突变体斑马鱼肝脏中的表达量上调超过100倍。进一步原位杂交结果显示, fbxo32 mRNA的信号主要集中于肝脏细胞,而在血细胞中则没有检测到信号。特别是与野生型斑马鱼相比, fbxo32 mRNA在traf6突变型斑马鱼肝脏中的信号明显增强。实验结果表明traf6缺失能引起fbxo32基因的上调表达,并会导致traf6突变型斑马鱼肝脏发育异常并发生萎缩。     

秦岭细鳞鲑代谢及低氧耐受能力对温度驯化的响应

为考察秦岭细鳞鲑（Brachymystax lenok tsinlingensis）代谢及低氧耐受能力对温度驯化的响应,将实验鱼于6℃、12℃和18℃下驯化4周后,采用密闭式呼吸代谢测定仪对其静止代谢率（Resting metabolic rate,RMR）和临界氧压（Critical oxygen press,P_crit）等参数进行测定。结果发现,RMR随驯化温度升高而升高,在6-12℃、12-18℃温度内,RMR的Q₁₀值分别为2.59和2.77,表明该物种对温度的敏感性较高;P_crit值随驯化温度升高而升高且与RMR显著正相关,在驯化温度范围内（6-18℃）,P_crit提升了76.2%。研究结果提示:秦岭细鳞鲑应对低氧环境的生理可塑性较差,在高温下RMR增加可能是导致其低氧耐受能力降低的内在机制之一。     

低氧对斑马鱼胚胎心脏和血管发育及相关基因表达的影响

研究以斑马鱼(Danio rerio)为研究模型,选择心脏和血管荧光标记的2个品系斑马鱼为实验材料,设定低氧和常氧2种水体溶氧条件,用荧光显微镜检测低氧胁迫对胚胎形态结构、心脏和血管外部形态、心率、胚胎躯干部主要血管形成的影响.研究发现低氧导致胚胎存活率低于常氧.低氧不仅滞后胚胎发育,而且造成胚胎形态异常.低氧胁迫后斑...     

敲除trim47基因斑马鱼脑和脾的比较转录组学分析

用CRISPR/Cas9技术敲除斑马鱼(Danio Rerio)的trim47, 收集TRIM47–/–(trim47基因敲除)和WT(野生型)斑马鱼的大脑和脾脏进行RNA-seq分析, 以鉴定差异表达基因(DEGs)。总共确定了271个DEGs, 经过简要分析, 将这些DEGs注释为KEGG途径和GO富集分析, 与WT组相比, TRIM47-/-组的脑中DEGs集中在细胞黏附和谷氨酸能突触信号传导途径中。在脾脏中, 与野生型组相比, TRIM47-/-组的DEGs在补体和凝血级联信号通路中发生了变化。使用qRT-PCR验证了脑和脾中与补体途径相关的基因, 与转录组数据一致。这些结果表明, Trim47在脾脏和大脑中起着重要的生物学作用, 尤其是通过补体途径参与先天免疫功能。体内感染实验表明, trim47基因敲除可提高斑马鱼中鲤春病毒血症病毒(SVCV)的感染率。总之, 这些发现为TRIM成员在先天免疫中的功能提供了新线索。     

抑制Ligase4或Xrcc6活性增强斑马鱼原始生殖细胞中DNA同源重组的效率

利用斑马鱼作为体内模型, 研究旨在提高斑马鱼原始生殖细胞(Primordial germ cells, PGCs)中同源重组(Homologous recombination, HR)的效率。首先, 将UAS:mRFP-nos1载体显微注射到Tg (kop:KalTA4) 转基因胚胎中标记转基因PGCs, 结果表明筛选PGCs特异表达mRFP的胚胎能够相对提高转基因的生殖系传递效率。随后建立了PGCs中HR效率的评估体系, 并且证明抑制DNA ligase IV(Lig4)和Xrcc6(曾用名Ku70)的活性不但在全胚胎水平, 而且在PGCs水平都能够显著提高HR的效率。研究表明Tg (kop:KalTA4) 转基因品系是开展HR介导的基因打靶的一个有效平台。       

一氧化氮在缺氧耐受形成中的作用

分别给小鼠腹腔注射Ｌ－精氨酸（５０ｍｇ／ｋｇ）、Ｌ－精氨酸类似物Ｎω－ＮＩＴＲＯ－Ｌ－ＡＲＧＩＮＩＮＥ（５０ｍｇ／ｋｇ）,３０ｍｉｎ后进行急性缺氧重复实验。结果发现,Ｌ－精氨酸、Ｌ－精氨酸类似物组第一次缺氧耐受性时间平均为１１ｍｉｎ、１６ｍｉｎ,分别近似于、高于盐水对照组小鼠的第一次平均耐受时间（１２ｍｉｎ）。Ｌ－精氨酸组、Ｌ－精氨酸类似物组第二、三、四次重复缺氧的耐受时间分别为其各自第一次缺氧耐受时间的２．０、２．７、３．１;２．６、３．７、４．９倍,分别略低于、明显高于对照组（对照组第二、三、四次重复缺氧的耐受时间分别为其第一次缺氧耐受时间的２．２、３．１、３．６倍）。用荧光方法测定正常对照组第一、二、三、四次缺氧组脑内一氧化氮的含量,结果发现,一次缺氧组一氧化氮含量明显高于正常对照组,二、三、四次缺氧组,一氧化氮含量比一次缺氧组明显回降,结果提示,脑内一氧化氮减少可能有助于缺氧耐受性的形成。