CRISPR/Cas9系统的分子机制及其在人类疾病基因治疗中的应用

CRISPR/Cas系统是广泛存在于细菌和古生菌中的适应性免疫系统,用来抵抗外来病毒或质粒的入侵。近几年,由Ⅱ型CRISPR/Cas适应性免疫系统改造而来的CRISPR/ Cas9基因组编辑技术蓬勃发展,被广泛地应用于生命科学研究的各个领域,并取得了革命性的变化。文章主要综述了CRISPR/Cas9基因组编辑技术的起源与发展及在生命科学各研究领域的应用,重点介绍了该系统在人类疾病基因治疗方面的最新应用及脱靶效应,以期为相关领域的科研人员提供参考。     

The advancements,challenges, and future implications of the CRISPR/Cas9 system in swine research

Clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)/CRISPR-associated protein 9(CRISPR/Cas9) genome editing technology has dramatically influenced swine research by enabling the production of high-quality disease-resistant pig breeds, thus improving yields. In addition, CRISPR/Cas9 has been used extensively in pigs as one of the tools in biomedical research. In this review, we present the advancements of the CRISPR/Cas9 system in swine research, such as animal breeding, vaccine development, xenotransplantation, and disease modeling. We also highlight the current challenges and some potential applications of the CRISPR/Cas9 technologies.     

CRISPR/Cas9-mediated correction of human genetic disease

The clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)/CRISPR-associated(Cas) protein 9 system(CRISPR/Cas9) provides a powerful tool for targeted genetic editing. Directed by programmable sequence-specific RNAs,this system introduces cleavage and double-stranded breaks at target sites precisely. Compared to previously developed targeted nucleases, the CRISPR/Cas9 system demonstrates several promising advantages, including simplicity, high specificity,and efficiency. Several broad genome-editing studies with the CRISPR/Cas9 system in different species in vivo and ex vivo have indicated its strong potential, raising hopes for therapeutic genome editing in clinical settings. Taking advantage of non-homologous end-joining(NHEJ) and homology directed repair(HDR)-mediated DNA repair, several studies have recently reported the use of CRISPR/Cas9 to successfully correct disease-causing alleles ranging from single base mutations to large insertions. In this review, we summarize and discuss recent preclinical studies involving the CRISPR/Cas9-mediated correction of human genetic diseases.     

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。     

不同处理方法对海稻米中γ-氨基丁酸提取率的影响

以海稻米为研究对象,研究提取温度、提取溶剂、料液比、提取时间、提取次数等5个因素对海稻米中γ 氨基丁酸（GABA）提取率的影响,采用正交试验分析方法确定海稻米中GABA最优工艺条件。结果表明：海稻米中GABA的最佳提取工艺为：提取溶剂为水、提取时间为1 h、提取次数3次、提取温度60 ℃、提取物料比1 g∶15 mL,在此提取条件下的提取率为6.2μg/g。     

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。     

基于CRISPR/Cas9的基因分析方法研究进展

自2012年首次证明了CRISPR/Cas9可以在体外进行DNA切割试验以来,CRISPR技术逐渐在基因编辑研究中获得了迅速的发展,除了应用于基因编辑领域之外,它在基因表达调控、基因成像、基因分析等方面也展现出了巨大的应用潜力。尤其在基因分析领域,CRISPR技术由于其精确的基因识别、室温的反应条件、易设计性和操作性等特色,使得一系列新型的基因检测技术得以发展,并取得了超越常规技术的一些检测参数。本文以Cas9蛋白为对象,综述了近些年来在该领域取得的研究进展。主要论述Cas9蛋白的功能、改造、引导RNA(sgRNA)的设计及其在基因分析方法上的应用。     

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。     

CRISPR/Cas system: An emerging technology in stem cell research

The identification of new and even more precise technologies for modifying and manipulating the genome has been a challenge since the discovery of the DNA double helix. The ability to modify selectively specific genes provides a powerful tool for characterizing gene functions, performing gene therapy, correcting specific genetic mutations, eradicating diseases, engineering cells and organisms to achieve new and different functions and obtaining transgenic animals as models for studying specific diseases. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/Cas9 technology has recently revolutionized genome engineering. The application of this new technology to stem cell research allows disease models to be developed to explore new therapeutic tools. The possibility of translating new systems of molecular knowledge to clinical research is particularly appealing for addressing degenerative diseases. In this review, we describe several applications of CRISPR/Cas9 to stem cells related to degenerative diseases. In addition, we address the challenges and future perspectives regarding the use of CRISPR/Cas9 as an important technology in the medical sciences.     

CRISPR/Cas基因编辑技术在增强子功能分析及鉴定中的研究进展*

增强子是生物体内重要的顺式基因表达调控元件,参与众多生物学过程,与癌症的发生发展及多种疾病的产生紧密相关。虽然基于生物信息学的方法可以对增强子进行鉴定和筛选,然而由于增强子与靶基因的位置和方向不确定,大大增加了深入研究增强子调控机制的难度。近年来,CRISPR/Cas技术的不断发展创新,为揭示和验证增强子的分子机制提供了可操作性。因此,在系统回顾CRISPR/Cas技术的发展过程及在生物学中的应用基础上,重点总结近年来CRISPR/Cas技术在增强子研究中的创新应用,包括不同CRISPR/Cas技术的作用原理及CRISPR/Cas技术如何编辑增强子等,以期为利用CRISPR/Cas技术研究增强子功能机制提供可行性参考。     

CRISPR/Cas9基因组编辑技术在农业动物中的应用

CRISPR(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)/Cas(CRISPR associated proteins)是在细菌和古细菌中发现的一种用来抵御病毒或质粒入侵的获得性免疫系统.目前已发现的CRISPR/Cas系统包括Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ型,其中Ⅱ型系统的组成较简单,由其改造成的CRISPR/Cas9技术已成为一种高效的基因组编辑工具.自2013年CRISPR/Cas9技术成功用于哺乳动物基因组定点编辑以来,应用该技术进行基因组编辑的报道呈现出爆发式的增长.农业动物不仅是重要的经济动物,也是人类疾病和生物医药研究的重要模式动物.本文综述了CRISPR/Cas9技术在农业动物中的研究和应用进展,简述了该技术的脱靶效应及减少脱靶的主要方法,并展望了该技术的应用前景.     

Genome Editing by CRISPR/Cas9: A Game Change in the Genetic Manipulation of Protists

Genome editing by CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats)/Cas9 (CRISPR‐associated gene 9) system has been transformative in biology. Originally discovered as an adaptive prokaryotic immune system, CRISPR/Cas9 has been repurposed for genome editing in a broad range of model organisms, from yeast to mammalian cells. Protist parasites are unicellular organisms producing important human diseases that affect millions of people around the world. For many of these diseases, such as malaria, Chagas disease, leishmaniasis and cryptosporidiosis, there are no effective treatments or vaccines available. The recent adaptation of the CRISPR/Cas9 technology to several protist models will be playing a key role in the functional study of their proteins, in the characterization of their metabolic pathways, and in the understanding of their biology, and will facilitate the search for new chemotherapeutic targets. In this work we review recent studies where the CRISPR/Cas9 system was adapted to protist parasites, particularly to Apicomplexans and trypanosomatids, emphasizing the different molecular strategies used for genome editing of each organism, as well as their advantages. We also discuss the potential usefulness of this technology in the green alga Chlamydomonas reinhardtii.     

CRISPR/Cas9在人病毒感染相关疾病治疗研究中的应用*

病毒感染相关疾病严重威胁人类的健康,目前的抗病毒疗法难以治愈慢性病毒性感染引起的一些疾病,如获得性免疫缺陷综合征和乙型肝炎等,因此迫切需要新的治疗方法。可直接靶向遗传物质的基因编辑技术或将成为对抗病毒的有力工具。作为一种可编程的核酸酶介导的新型基因编辑技术,CRISPR/Cas9系统因其具有编辑效率高、操作简单、成本低、适用范围广等优点,而成功应用于多种人类相关疾病的研究中,也为病毒感染相关疾病的研究以及开发新的治疗方法提供了新的技术手段。主要对CRISPR/Cas9系统的作用机制以及在人类常见的病毒感染相关疾病治疗研究中的最新进展进行综述。     

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。     

CRISPR/Cas9的应用及脱靶效应研究进展

CRISPR/Cas9基因编辑技术在生命科学领域掀起了一场全新的技术革命,该技术可以对基因组特定位点进行靶向编辑,包括缺失、插入、修复等。CRISPR/Cas9比锌指核酸酶 (ZFNs)和转录激活因子样效应物核酸酶(TALENs)技术更易于操作,而且更高效。CRISPR/Cas9系统中的向导RNA(Single guide RNA, sgRNA)是一段与目标DNA片段匹配的RNA序列,指导Cas9蛋白对基因组进行识别。研究发现,设计的sgRNA会与非靶点DNA序列错配,引入非预期的基因突变,即脱靶效应(Off-target effects)。脱靶效应严重制约了CRISPR/Cas9基因编辑技术的广泛应用。为了避免脱靶效应,研究者对影响脱靶效应的因素进行了系统研究并提出了许多降低脱靶效应的方法。文章总结了CRISPR/Cas9系统的应用及脱靶效应研究进展,以期为相关领域的工作提供参考。     

CRISPR/Cas9系统纳米递送及其在肿瘤治疗中应用

新兴的CRISPR/Cas9基因编辑技术可实现在分子水平上对基因进行操作,具有设计简单、易于操作、特异性好、效率高等优点,广泛应用于肿瘤发生、发展和转移的潜在机制以及临床治疗的研究.利用纳米技术研发的非病毒纳米载体可以将CRISPR/Cas9系统高效递送到体内,为CRISPR/Cas9技术在临床领域的应用提供新途径.本文介绍CRISPR/Cas9的作用原理,简要概括目前CRISPR/Cas9系统的递送形式和常用的纳米递送载体,总结在部分肿瘤治疗中应用该技术的研究进展,并进一步对此进行展望.     

CRISPR/Cas9高通量筛选技术与肿瘤治疗

成簇规律间隔短回文重复(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR),是细菌或古菌在与噬菌体长期生存进化获得的一种免疫系统. 根据Cas蛋白(CRISPR-associated protein)的不同,CRISPR系统可分为3种. 其中II型CRISPR/Cas9已被改造成为一种有效的基因编辑工具,并运用于多种物种基因的改造. 作为1种基因编辑的手段,CRISPR/Cas9技术通过诱导DNA双链断裂损伤,进一步干扰基因的表达. 与传统的基因编辑技术相比,CRISPR/Cas9技术显示出效率高、成本低和易操作等特点. 与此同时,二代测序技术的发展促进全基因组的解析. CRISPR技术结合高通量二代测序手段的使用,在肿瘤的治疗领域中已发挥出了独特的优势. 本文就近年来CRISPR/Cas9高通量筛选技术的发展,及其在肿瘤治疗过程中的应用进行综述.