利用CRISPR/Cas9多基因编辑系统在水稻中快速引入遗传多样性

成簇的规律间隔的短回文重复序列(CRISPR)-核酸内切酶9(CRISPR/Cas9)系统已经成为许多物种特定基因组编辑的强大工具.利用CRISPR/Cas9多基因编辑系统成功构建共敲除水稻(Oryza sativa)中8个农艺性状基因的载体.通过遗传转化实验和DNA测序,发现8个基因在T_0代有较高的突变效率,并且T_0代突变株的突变类型包括杂合突变和纯合突变.此外,还在T_0代突变株中发现了纯合的六突突变株、七突突变株、八突突变株.由于T_0代植物中获得丰富的突变体组合类型,因而,观测到靶基因多样的突变表型.该研究表明,CRISPR/Cas9系统在作物育种过程中快速引入遗传多样性方面的潜力.     

天然无序区域在Ash1/Ash1L组蛋白甲基转移酶活化过程中的调控作用

组蛋白甲基化修饰与基因的转录调控密切相关,其中果蝇的Ash1以及哺乳动物的同源蛋白Ash1L是催化组蛋白H3上36位赖氨酸进行单甲基化和双甲基化的甲基转移酶.由于存在一个自抑制环区阻挡了底物的结合位点,Ash1/Ash1L本身的组蛋白甲基转移酶活性是很低的.但与Mrg15结合后,Ash1/Ash1L从原来的自抑制态转变为活化态.最近,Ash1L与Mrg15结合后复合物的晶体结构被成功解析出来,使之可以揭示Ash1L与Mrg15之间的特异相互作用以及Mrg15激活Ash1L的机理.我们通过比较Ash1L/Mrg15复合物的两个晶体结构来讨论Ash1L分子中的天然无序区域在其活化过程中所起的重要调控作用.     

一个新的小麦黄化突变体的遗传研究

摘要: 通过对冬小麦“西农1718” 自然黄化突变体多年连续自交、与突变亲本回交以及与其他基因型进行正反交, 研究突变性状的遗传规律。观察统计发现, 突变体中金黄株发育至抽穗－开花期前后死亡, 黄-绿株自交后代表现为1金黄株︰2黄-绿株︰1绿株, 绿株自交后代不再分离; 黄-绿株与突变亲本回交及与其他基因型正反交, 后代均表现为1黄-绿株︰1绿株。遗传分析表明, 该小麦黄化突变体是由一对核基因控制的不完全显性遗传, 其中, 金黄株是纯合体(au/au), 表现为致死, 黄-绿株为杂合体(Au/au), 绿株为纯合体(Au/Au)。     

利用CRISPR/Cas9鉴定玉米发育相关基因ZmCen*

目的: 利用CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9) 系统构建玉米中心蛋白(Centrin)的表达载体,经转化后分析其对玉米生长发育的影响。方法: 针对ZmCen基因的第一个外显子设计sgRNA,将其连入pOMS01-Cas9-ZmCen-sgRNA表达载体,转化农杆菌GV3101后,侵染玉米自交系材料B104的愈伤组织,经继代、诱导、分化成苗,筛选出转基因后代。对T₀代和T₁代基因组DNA进行PCR验证、测序及表型分析。结果: 成功构建ZmCen的表达载体。侵染农杆菌后,PCR测序显示,T₀ 代和T₁ 代突变率分别为 20.13% 和 64.52%,其中T₁ 代的纯合缺失突变率为5%。序列分析表明,ZmCen基因的编辑靶点附近发生了碱基的替换、插入或缺失。经与野生型表型比对发现,ZmCen 突变体T₁代植株出现发育缓慢且雄花序不完全发育表型,纯合突变体植株雄花序则完全不发育。结论: 通过 CRISPR/Cas9技术成功地对玉米ZmCen基因进行了编辑,ZmCen突变体的获得为玉米雄性器官发育相关基因的研究奠定了基础。     

利用CRISPR/Cas9鉴定玉米发育相关基因ZmCen*

目的: 利用CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9) 系统构建玉米中心蛋白(Centrin)的表达载体,经转化后分析其对玉米生长发育的影响。方法: 针对ZmCen基因的第一个外显子设计sgRNA,将其连入pOMS01-Cas9-ZmCen-sgRNA表达载体,转化农杆菌GV3101后,侵染玉米自交系材料B104的愈伤组织,经继代、诱导、分化成苗,筛选出转基因后代。对T₀代和T₁代基因组DNA进行PCR验证、测序及表型分析。结果: 成功构建ZmCen的表达载体。侵染农杆菌后,PCR测序显示,T₀ 代和T₁ 代突变率分别为 20.13% 和 64.52%,其中T₁ 代的纯合缺失突变率为5%。序列分析表明,ZmCen基因的编辑靶点附近发生了碱基的替换、插入或缺失。经与野生型表型比对发现,ZmCen 突变体T₁代植株出现发育缓慢且雄花序不完全发育表型,纯合突变体植株雄花序则完全不发育。结论: 通过 CRISPR/Cas9技术成功地对玉米ZmCen基因进行了编辑,ZmCen突变体的获得为玉米雄性器官发育相关基因的研究奠定了基础。     

小麦M_1代长芒突变嵌合体的遗传研究

在辐射诱变的实践中通常认为:M_1代所有的新的突变都将是杂合体,本文报道了用r-射线诱发长芒突变嵌合体的试验结果,并对嵌合体进行了遗传分析,结果表明:M_1代嵌合体的长芒突变是一种隐性基因突变,它可以是纯合突变。因此,M_1代是一个值得注意的突变世代。     

T-DNA插入水稻群体中卷叶突变体R1-A2的遗传分析

在根癌农杆菌介导的T-DNA(携带有除草剂Basta抗性基因bar和Ds因子)转化中花11水稻群体中,获得了一个叶片发生明显内卷的突变体R1-A。经过连续三代的分离鉴定,获得突变体的纯合株(R1-A2),并与中花11号进行杂交,在调查的36个F_1植株中,全部表现为卷叶,并对Basta除草剂都表现为抗性。在852个F_2单株中,卷叶为645株,正常叶207株,卷叶和正常叶的比例为3:1,其中,卷叶株均对Basta表现抗性,正常叶株均对Basta表现敏感,表明卷叶性状和Basta抗性存在着共分离关系。用扩增Ds因子的引物,对F_2中45个卷叶抗性株进行PCR鉴定,都获得预期长度的Ds因子片段,进一步表明在这些卷叶的植株中都有T-DNA的插入;而30个正常叶敏感株都不能检测到Ds的特征片段。在以卷叶突变(R1-A2)为回交亲本的F_1B_1植株中,全部植株表现卷叶;在以中花11号为回交亲本的F_1B_1植株中,卷叶和正常叶植株的分离比为1:1。上述结果表明该卷叶突变是个显性突变,受一个基因所控制,且该基因的突变与T-DNA的插入有关。     

利用 CRISPR／Cas9敲除大鼠胰岛素受体底物1（Ir s1）基因

目的：为研究胰岛素受体底物1（Irs1）基因与代谢病之间的关系,我们利用CRISPR/Cas9系统敲除大鼠Irs1基因,为研究代谢病提供基因敲除大鼠。方法针对Irs1第一外显子,设计CRISPR/Cas9作用靶点,构建sgRNA表达质粒。利用T7 RNA聚合酶体外转录sgRNA和Cas9。将Cas9 mRNA和sgRNA混合物注射入SD大鼠的受精卵中,实现靶基因敲除。用T7 EN1实验初步检测靶基因的修饰情况,再经过测序分析确定突变。结果获得了5个在Irs1基因突变的首建鼠,突变效率为83％。结论得到了稳定遗传的Irs1基因敲除大鼠。     

斑马鱼eomesb基因突变体的构建及其功能分析

Eomesodermin (Eomes)是T-box转录因子基因家族的成员,在脊椎动物胚胎发育、模式形成和形态发生过程中发挥重要作用.斑马鱼(Danio rerio) eomesa基因的一个点突变导致其母源合子突变体胚胎发育延迟而大量死亡,而eomesa合子突变体可正常发育至性成熟,但缺失背鳍.本研究利用CRISPR/Cas9技术构建了斑马鱼eomesa旁系同源基因eomesb的突变体,eomesb纯合突变体不仅可正常发育至性成熟,而且鳍的发育也完全正常.q-PCR和整体原位杂交实验结果显示,eomesa和eomesb在脑部组织具有重叠的表达域,eomesb在中脑的表达略高于eomesa,故推测两基因在脑部可能行使相似的功能,存在一定的功能冗余.对2,4,6 dpf(Days post fertilization)和6 dpf的WT和突变体q-PCR基因表达分析显示,eomesb突变对eomesa的表达没有明显影响.eomesa-/-;eomesb-/-双突变体未出现背鳍缺失以外的附加表型,推测斑马鱼eomesa和eomesb在背鳍发育过程中可能不存在功能冗余,eomesb不参与背鳍的发育过程.此外,整体原位杂交实验结果显示,eomesb突变也不影响其同源基因tbr1a和tbr1b的早期表达.eomesb纯合突变体未观察到明显表型,可能与其影响的功能不引起明显表型有关,也可能与其它基因的遗传补偿效应有关.本研究结果为深入研究斑马鱼eomesb基因的功能提供了实验材料,同时对研究eomesa与eomesb基因功能分化具有参考价值.     

斑马鱼sat1.a突变体的鉴定

目的在我们的前期研究工作中,通过Tol2转座子介导的插入突变,筛选到了一批组织特异性表达绿色荧光蛋白GFP的斑马鱼品系。其中一个品系Tol2:20141221t的GFP在神经系统中表达,但还没有鉴定到Tol2转座子插入到基因组什么位置,造成了哪个基因的突变。本文的主要研究目标就是对这一由Tol2转座子插入诱导的斑马鱼突变品系进行鉴定。方法使用交错式热不对称PCR(thermal asymmetric interlaced PCR,TAIL-PCR)鉴定Tol2转座子插入的基因组位置;利用原位杂交检测被突变的基因的时空表达是否与该品系GFP表达具有一致性;筛选鉴定纯合体突变体,并进一步分析该基因突变造成的发育缺陷。结果在该品系中,Tol2转座子插入到了亚精胺/精胺N1-乙酰基转移酶1a(spermidine/spermine N1-acetyltransferase 1a,sat1.a)的第八个内含子区域,致使sat1.a基因转录提前终止。我们筛选到了sat1.a纯合突变体,但是没有检测到明显的发育缺陷。结论筛选鉴定的Tol2转座子介导的斑马鱼sat1.a突变体没有明显的发育缺陷,但可以作为研究神经系统发育的有力工具。     

组蛋白去甲基化酶LSD1及其生物学功能

赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶1(Lysine specific demethylase 1, LSD1) 的发现, 表明组蛋白的甲基化修饰是一个动态可调节的过程。结构分析显示, LSD1 是一个黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin adenine dinulcleotide, FAD) 依赖性胺氧化酶, 它能够特异性脱去单甲基化和二甲基化组蛋白H3第4位赖氨酸(H3K4) 和H3K9 位点上的甲基基团。功能研究显示, LSD1 定位于细胞核内, 调控着基因转录的激活和抑制, 被誉为细胞深处的基因“开关”, 在胚胎发育和肿瘤发生过程中起着重要的作用。文章主要综述了LSD1 的结构、作用机制及其调控作用研究的新进展。     

利用 CRISPR/Cas9 系统定向编辑黑腹果蝇Osiris24基因

Osiris基因在几丁质沉积过程中表达,可能参与昆虫表皮的发育。本研究利用CRISPR/Cas9 基因编辑系统对Osiris24基因进行编辑,进而观察Osiris24突变体果蝇的性状并且检测Osiris24的表达特征。在Osiris24第1外显子设计2个sgRNA靶位点,插入到pCFD4敲除载体骨架中,同时构建酵母Gal4蛋白序列的供体(donor)载体,将2个载体同时注射到nos-Cas9胚胎中获得G0代转基因果蝇。结果显示,G0代基因编辑阳性率为92.8%,Osiris24纯合突变体在胚胎或1龄幼虫期致死,杂合突变体未观察到可见表型。将阳性G0代雄虫与UAS-GFP雌虫杂交,检测不同龄期和不同组织GFP信号表达情况。结果发现,Osiris24在不同龄期幼虫中均有表达,幼虫期主要在体壁、气管、前肠和后肠高表达,蛹期主要在体壁和翅上表达,推测其在果蝇发育中发挥重要作用,本研究为深入探究Osiris基因功能提供了研究模型。     

CRISPR/Cas9介导的水稻OsRhoGAP2基因的敲除

OsRhoGAP2是通过酵母双杂交从水稻幼穗组织分离的一种Rho GTP酶激活蛋白质编码基因,其功能尚不明确。为鉴定该基因的功能,本研究采用CRISPR/Cas9技术构建了OsRhoGAP2基因单靶标敲除载体,并转化日本晴水稻。对转基因水稻的筛选以及编辑靶点扩增和测序结果表明,在T_0代获得3种杂合突变体,在T_1代获得2种纯合突变体,命名为株系1和株系16。2个纯合敲除株系在OsRhoGAP2编辑靶点分别缺失2个和1个碱基,均导致该基因的移码突变并最终造成无义突变。序列分析显示,突变体中预期生成的OsRhoGAP2截短蛋白质丧失了保守的RhoGAP结构域及CRIB基序。抽穗期水稻的叶片扫描电镜观察结果显示,株系1的叶片表皮毛大量缺失;对抽穗期水稻的剑叶进行光合指标测量,发现突变体与野生型在净光合速率与气孔导度上存在显著差异。其中,株系1和株系16的净光合速率分别上升17.79%和7.70%,气孔导度分别上升113.10%和64.50%,提示OsRhoGAP2基因的功能可能涉及这些生物学过程。     

基于CRISPR/Cas9系统和增强ssODN重组建立tau-V337M小鼠模型

利用CRISPR/Cas9基因编辑技术建立tau-V337M突变的阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)小鼠模型。通过设计和体外合成单向导RNAs(single guide RNAs,sgRNA)及单链寡核苷酸(single-stranded oligonucleotides,ssODN),将sgRNA、Cas9蛋白、ssODN注射到小鼠受精卵内,利用DNA切割和重组产生突变。为了提高重组效率,又在注射时添加Rad51蛋白。使用自然交配的雌鼠作为受体,将2细胞期的编辑胚胎进行单侧输卵管移植。研究发现通过添加Rad51蛋白可以获得较高的突变效率,在F0小鼠中获得了tau-V337M小鼠并进行扩繁,F0代tau-V337M小鼠可以将突变遗传给F1代。综上所述,本研究利用Cas9、ssODN和Rad51成功建立了首个tau-V337M基因位点突变的小鼠模型,为AD的研究和点突变模型制作提供了模型和方法基础。     

敲除里氏木霉hkmt基因可增强纤维素酶的酶活性和表达水平

表观遗传是不涉及DNA序列变化的可遗传变化,包括DNA甲基化、组蛋白修饰和miRNA调控等。在组蛋白甲基化修饰中,主要是组蛋白赖氨酸甲基转移酶（histone lysine methyltransferase,HKMT）参与调控。有文献报道,HKMT蛋白的催化核心为SET结构域,它具有促进或抑制基因表达的作用。在里氏木霉(Trichoderma reesei)中,HKMT对纤维素酶基因的表达调控的机制尚不明确。本文阐述了以里氏木霉为研究对象,利用Split-Maker技术构建了组蛋白赖氨酸甲基转移酶基因敲除表达盒,并转化了里氏木霉T. reesei QM9414。经PCR及Southern印迹验证正确后,显微镜观察到T.reesei Δhkmt菌株菌丝较长,分支较多。检测到突变体菌株连续7d滤纸酶活（filter paper enzyme activity,AFP）和羧甲基纤维素钠酶活 (carboxymethyl cellulose sodium enzyme activity,CMCA)。结果分别比野生型菌株高出5.00 IU·mL^-1、15.00 IU·mL^-1。利用RT-qPCR检测到突变菌株纤维素酶及其相关基因cbh1、egl1和xyr1的表达分别高出野生型4.51、3.87和2.51倍。通过对野生型菌株和突变菌株形态特征、纤维素酶酶活性、纤维素酶相关基因表达量的探索,为进一步研究里氏木霉表观遗传调控对纤维素酶表达的影响提供了新思路和实验资料。     

敲除里氏木霉hkmt基因可增强纤维素酶的酶活性和表达水平

表观遗传是不涉及DNA序列变化的可遗传变化,包括DNA甲基化、组蛋白修饰和miRNA调控等。在组蛋白甲基化修饰中,主要是组蛋白赖氨酸甲基转移酶（histone lysine methyltransferase,HKMT）参与调控。有文献报道,HKMT蛋白的催化核心为SET结构域,它具有促进或抑制基因表达的作用。在里氏木霉(Trichoderma reesei)中,HKMT对纤维素酶基因的表达调控的机制尚不明确。本文阐述了以里氏木霉为研究对象,利用Split-Maker技术构建了组蛋白赖氨酸甲基转移酶基因敲除表达盒,并转化了里氏木霉T. reesei QM9414。经PCR及Southern印迹验证正确后,显微镜观察到T.reesei Δhkmt菌株菌丝较长,分支较多。检测到突变体菌株连续7d滤纸酶活（filter paper enzyme activity,AFP）和羧甲基纤维素钠酶活 (carboxymethyl cellulose sodium enzyme activity,CMCA)。结果分别比野生型菌株高出5.00 IU·mL^-1、15.00 IU·mL^-1。利用RT-qPCR检测到突变菌株纤维素酶及其相关基因cbh1、egl1和xyr1的表达分别高出野生型4.51、3.87和2.51倍。通过对野生型菌株和突变菌株形态特征、纤维素酶酶活性、纤维素酶相关基因表达量的探索,为进一步研究里氏木霉表观遗传调控对纤维素酶表达的影响提供了新思路和实验资料。     

斑马鱼hoxa1a基因调控颅面骨骼发育的功能研究*

hox基因编码一类高度保守的转录因子家族,人类HOXA1的突变会导致阿萨巴斯卡发育不良综合征 (Athabascan brainstem dysgenesis syndrome, ABDS),使人出现因颅骨异常导致的面部畸形和面部麻痹等症状。利用模式生物斑马鱼研究其同源基因hoxa1a的功能机制。首先利用CRISPR/Cas9技术对斑马鱼hoxa1a进行基因编辑,获得了hoxa1a基因突变,T7E1酶切结果显示F₀酶切效率平均为70%。F₁进一步筛选到两种突变类型,分别是插入了8 bp和删除了7 bp的杂合突变体。杂合子自交得到hoxa1a F₂纯合突变体,并且测序验证hoxa1a基因突变成功。5 dpf时,hoxa1a纯合突变体出现颅面发育异常。阿尔新蓝软骨染色和茜素红硬骨染色结果表明,hoxa1a突变体中颅骨发育异常、筛骨板断裂,鳃弓发育出现缺损。成功在斑马鱼中构建ABDS疾病模型,表明hoxa1a突变会造成斑马鱼颅面骨骼发育异常,为其功能机制研究奠定了基础,为人类ABDS疾病的致病机制研究提供了新的思路。     

赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶1作用机制及其生物学功能的研究进展

与其他化学修饰,如乙酰化、磷酸化、泛素化等相似,组蛋白赖氨酸甲基化是一个可以逆转的组蛋白修饰,是一个动态调节的过程。赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶1（lysine specific demethylase 1,LSD1）是一个黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinulcleotide,FAD）依赖性胺氧化酶,它能够特异性脱去H3K4和H3K9位点上的单甲基化和二甲基化的甲基基团。LSD1参与调控核受体介导的基因转录,并分别维持染色质的活性和非活性状态,被誉为细胞深处的基因＂开关＂。LSD1的功能失衡可引发多种重要生命现象的改变。主要综述LSD1的结构、作用机制及其在肿瘤发生、胚胎发育、体细胞重编程的调控、细胞分裂和造血等过程中生物学功能的研究新进展。     

利用CRISPR-Cas9敲除Tyr基因制作白化C57BL/6N小鼠

目的 为了获得白化的C57BL/6N小鼠,扩大其在皮肤移植和胚胎干细胞方面研究中的应用。方法 通过体外设计合成Cas9 mRNA和系列sgRNA(single guide RNAs),注射到小鼠的受精卵内,破坏合成C57BL/6N小鼠黑色素生成必须的酪氨酸酶(tyrosinase,TYR)基因序列的第1和第2外显子,产生基因突变,获得F0代白化的C57BL/6N小鼠,然后经过重复回交和自交,形成白化C57BL/6N小鼠近交系。结果 经过注射两对sgRNA,成功的获得了F0代的白化小鼠,在Tyr基因的第1和第2外显子中均发生了缺失突变,小鼠可以将突变基因传递给后代,并在其后代中产生了纯合的白色C57BL/6N小鼠,最后对白化小鼠突变类型进行了分析。结论 通过CRISPR-Cas9技术破坏了小鼠Tyr基因,成功地建立了白化C57BL/6N小鼠近交系,为将来的嵌合体制作、组织移植提供了新的研究工具。     

利用CRISPR/Cas9系统在小鼠胚胎干细胞中进行miR-22的功能研究

旨在构造neomycin筛选标记的sgRNA表达载体,并利用CRISPR/Cas9技术构建miR-22缺失的小鼠胚胎干细胞,探究miR-22在小鼠胚胎干细胞中的调控作用。首先通过点突变、搭桥PCR等手段,构造neomycin筛选标记的sgRNA表达载体,并获得靶向敲除miR-22的sgRNA表达载体,电转至稳转Cas9的小鼠胚胎干细胞中;其次经药物筛选、基因型鉴定等步骤筛选miR-22纯合缺失的小鼠胚胎干细胞。RT-qPCR手段证实miR-22在小鼠胚胎干细胞中被成功敲除,纯合突变体的比例约为6.67%。此外,miR-22缺失并未影响胚胎干细胞的细胞形态以及Oct4、Sox2和Nanog等干性基因的表达。因此,miR-22对小鼠胚胎干细胞的干性维持并非必需,而对胚胎干细胞谱系分化和命运决定的影响还有待进一步研究。