CRISPR/Cas技术在农业育种中的应用

农业生产是保障粮食安全的关键。农业育种技术的提高对于提高农产品产量和品质至关重要。近年来飞速发展起来的成簇规律间隔短回文重复序列-相关核酸酶(clustered regularly iinterspersed short palindromic repeats-CRISPR associated protein, CRISPR/Cas)技术作为基因编辑技术的主要手段,在农业育种实践中发挥着越来越重要的作用。本文综述了植物CRISPR/Cas技术在农业育种尤其是粮食作物与经济作物育种中的进展,为进一步利用CRISPR/Cas技术进行新品种培育提供一定的理论基础。

CRISPR/Cas技术的研究展望

CRISPR/Cas系统是多数细菌及古菌在环境胁迫下长期进化形成的由RNA引导降解入侵病毒或噬菌体DNA的适应性免疫系统,包括Cas蛋白与单链引导RNAs (Single guide RNAs, sgRNAs)两个核心元件。近些年来,由CRISPR/Cas系统发展形成的新型基因编辑技术(CRISPR/Cas技术)广泛应用于动物、植物、微生物的基因组编辑和调控,其原理是Cas蛋白受sgRNA指引将靶向DNA进行基因改造,进而定向引导基因突变并通过测序技术筛选有效的基因突变。CRISPR/Cas技术能同时对多个位点进行编辑,对靶向DNA有相当高的亲和力和特异性,具有耗时短、编辑高效等优点。本文综述了CRISPR/Cas技术在临床治疗、植物基因编辑、微生物基因改造等多个领域的应用进展,并对CRISPR/Cas技术目前存在的问题进行了深入讨论及展望,为今后探究CRISPR/Cas技术在生态环境领域的应用提供了科学思路与研究方向。

CRISPR/Cas技术在抗除草剂作物育种中的研究与应用进展

CRISPR/Cas系统是一种简单、低成本、高效、精准的基因编辑技术,该技术能够进行基因的定向改造,加速新品种培育进程,在种质资源创制中的应用潜力较高。概述了CRISPR/Cas系统的技术原理及其在作物抗除草剂育种中的应用,简要指出了目前CRISPR/Cas技术在抗除草剂种质创制及应用过程中存在的问题及发展方向,以期为今后利用CRISPR/Cas技术创制抗除草剂新种质提供理论依据。

基于专利视角的中美CRISPR/Cas技术发展对比研究

本文基于德温特专利数据库收录的2004-2018年CRISPR/Cas技术专利数据,利用专利计量方法,从专利逐年申请趋势、技术生命周期、同族专利分布、主要申请机构以及国际专利号分类(IPC)五个方面对比分析了中美两国CRISPR/Cas技术的应用研究现状,以期为科研机构和相关企业的技术研发提供一定的决策支持。结果表明:(1)中国CRISPR/Cas应用研究不断加快,专利申请数量逐渐超过美国;(2)美国CRISPR/Cas机构对国际市场关注度较高,全球专利布局意识较强;(3)美国CRISPR/Cas顶尖机构研发实力较强,中国机构技术实力普遍较弱;(4)中美CRISPR/Cas技术主要应用于C12N领域,两国研发热点各有侧重。

CRISPR/Cas技术可有效介导家鸡基因敲除

本研究旨在家鸡上建立一种高效、稳定的基因组定点编辑技术体系,实现目的基因定点敲除,为后续家鸡基因编辑提供操作依据。基于NCBI数据库提供的CDS序列克隆C2EIP(chr2,Expression In PGC)基因全长,并根据基因序列中APM的位置设计特异性gRNA1、gRNA2和gRNA3,并构建cas9/gRNA载体;将设计好的cas9/gRNA转染状态良好的DF-1,利用Luciferase SSA重组检测法、T7E1酶切法以及TA克隆测序法检测gRNA在DF-1细胞中基因的敲除效率。Luciferase SSA重组检测结果表明,只有cas9/gRNA3载体具有基因敲除活性,荧光活性比对照组高两倍,T7E1酶切结果显示cas9/gRNA3基因的敲除活性为27%,TA克隆测序结果表明,30个测序菌液中有8个菌液出现不同数目的碱基缺失或增加,初步估计基因敲除效率为26%。通过本研究在家鸡中初步建立了cas9介导的基因敲除技术,该技术能够稳定的在鸡的细胞DF-1上介导基因敲除。

CRISPR/Cas技术及其在发酵菌株上的应用

发酵菌株的改良在发酵工业生产上通常是一项非常重要的内容,而传统的驯化模式周期长、效率低、稳定性差且成本高,很难满足工业化快速生产的要求。规律成簇间隔短回文重复Cas(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/Cas,CRISPR/Cas)是细菌及古生菌中的一种适应性免疫系统,在此系统上改进的基因编辑技术能实行RNA导向的DNA精准编辑。因而利用CRISPR/Cas基因编辑技术对菌株的快速构建和优化,是一条快速获得高产菌株的新途径。本文综述了CRISPR/Cas系统组成、工作原理、分类以及该技术在发酵菌株上的应用研究进展,并探索了该技术存在的问题以及目前的解决办法,最后对CRISPR/Cas技术在发酵工程上的潜力进行了展望。

CRISPR/Cas技术及其在作物遗传育种中的应用

简要概述了ZFN、TALEN和CRISPR/Cas系统3种基因组编辑技术的工作原理,介绍了CRISPR/Cas技术在功能基因组学研究、候选基因功能分析(验证)、分子育种方面的应用及其在作物产量、品质、抗病性及水稻雄性不育系创制上的研究进展,提出该项技术在植物遗传育种应用中的新思路及安全性等研究方向。

CRISPR/Cas技术在脊髓损伤修复研究中的应用

脊髓损伤是严重的神经系统疾病,能够引起患者神经功能障碍,临床上并无有效治疗方法,亟待开发更好的治疗方案。CRISPR/Cas是一种高精度、高效率的基因编辑技术,研究表明CRISPR/Cas技术可以调控脊髓损伤相关基因、细胞因子、蛋白酶的表达,使其可用于促进脊髓损伤修复。同时,利用CRISPR/Cas技术的分子检测能力可发现更多与脊髓损伤相关的基因,为脊髓损伤修复带来新突破。该文对CRISPR/Cas技术应用于脊髓损伤修复的相关研究进展进行综述。

利用CRISPR/Cas技术改良作物抗病性的研究进展

病原体引起的作物病害日益增多,严重威胁世界粮食安全。CRISPR/Cas等基因组编辑技术能够实现基因组DNA片段插入或缺失、碱基编辑以及基因表达调控,已成为作物抗病育种的重要方法。植物具有模式触发免疫反应(PTI)和效应子触发免疫反应(ETI)两层免疫机制,相关基因可分为抗性基因(R)和感病基因(S)。通过基因组编辑技术改造R基因或S基因,能够改良作物对病原体的抗性,以及定向降解病毒基因组可增强作物对病毒的抗性。水稻、小麦、番茄等作物已成功运用基因组编辑技术改良抗病性。基因组编辑技术发展迅速,效率不断提高,但仍应在相关法规的监管下依法进行研究。本文介绍了作物的抗病免疫机制和CRISPR/Cas技术在基因组编辑中的应用,总结了改良作物抗病性的基因组编辑策略以及利用CRISPR/Cas技术提高作物抗病性的研究现状,并展望了CRISPR/Cas技术在改良作物抗病性中的发展前景。

CRISPR/Cas技术在核酸检测中的应用进展

CRISPR/Cas是大多数细菌及古细菌基于RNA的后天免疫系统。由CRISPR/Cas系统改造而成的CRISPR/Cas技术已成为一种强大的基因编辑工具,广泛应用于基因功能研究和基因修饰与治疗。除了作为基因编辑工具,Ⅱ类Cas蛋白具有的"附属切割"特性,已被开发成一种快速、低成本且高灵敏的核酸检测工具,在核酸分子诊断领域具有重要的应用潜力。该文总结了3种Ⅱ类Cas蛋白在核酸检测领域的代表性研究进展,并对CRISPR/Cas系统在该领域的应用前景进行了展望。

CRISPR/Cas技术在乳酸菌中的研究进展

乳酸菌是重要的食品发酵剂,其传统的基因遗传操作技术为同源重组,该技术为后续的基因编辑工作奠定了基础,但是也存在操作繁琐、效率低等不足。成簇的规则间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)及其相关蛋白(CRISPR-associated protein,Cas)以其高效、便捷性推动了乳酸菌基因编辑的发展。该文综述了CRISPR的原理、分类,重点阐述了CRISPR操作系统在乳酸菌方面的应用。

CRISPR/Cas技术在动物疫病诊断中的应用

传统的动物疫病检测方法大多耗时长,操作复杂,对人员和仪器设备要求较高,不适用于基层动物疫病监测和初步筛查,因此开发灵敏度高、低成本、快速、便携,可实现现场诊断的病原检测新技术尤为重要。成簇规律间隔短回文重复序列及其相关蛋白(CRISPR/Cas)作为一种适应性免疫系统,因其简单、高效的基因编辑能力,已被广泛用于动物疫病、植物育种、人类医学等领域。近年来,CRISPR/Cas系统得到不断发展,已被开发为一种分子诊断工具,在动物疫病诊断领域显示出巨大潜力。本文简要介绍了CRISPR/Cas系统的基本结构、分类和作用机制,重点阐述了其在动物病毒病、细菌病及寄生虫病等诊断领域的应用研究进展,旨在为相关领域研究提供参考。

CRISPR/Cas技术在病原体检测中的应用

1987年在大肠埃希菌基因组中首次发现了成簇间隔短回文重复序列(CRISPR),具有切割外来入侵病毒核酸的获得性免疫功能[1]。CRISPR及其相关蛋白(CRISPR/Cas)系统是由编码Cas蛋白基因和由启动子加上重复序列与入侵核酸同源的间隔序列交替而构成[2]。该系统的获得性免疫机制可以分为3个阶段:获得/适应、表达、干扰[3]。获得阶段,首次入侵的外来核酸被Cas1-Cas2复合物选择并将其整合到CRISPR序列中,产生免疫记忆。

CRISPR/Cas9技术在热带作物育种中的应用研究进展

在热带地区种植的香蕉、番木瓜、甘蔗、木薯、天然橡胶、油棕等热带作物,是我国农业的重要组成部分,不仅为我们的日常生活和工农业生产提供了重要的原材料,而且为我国热带与亚热带地区的主要农业产量和经济增长做出了贡献。然而,这些作物的现代分子育种受其生物学特性和遗传复杂性的严重阻碍,多倍化、杂合性、无性繁殖、童期长和植株高大等问题导致热带作物的传统杂交育种周期长、难度大、进展慢。基因编辑技术的发展为热带作物育种带来了新途径和新机遇。CRISPR/Cas9系统介导的基因组编辑技术以其更高的靶向效率、多功能性和易用性,已被广泛应用于植物基因组编辑育种中。近年来,该技术在香蕉、木薯、天然橡胶、甘蔗等热带作物上也实现了广泛应用。本文介绍了基于CRISPR-Cas9系统的基因组编辑、CRISPR-Cas9在热带作物改良中的应用进展以及所面临的挑战和问题,同时对热带作物基因编辑育种方面提出建议,以期为后续研究提供思路,并为进一步开发应用该技术以有效改良热带作物的植物性状提供参考。

利用CRISPR/Cas9技术构建斑马鱼prkd1基因敲除品系

蛋白激酶D1 (protein kinase D1, PKD1;也称作PRKD1)是蛋白激酶家族成员之一,该家族由3种结构相关的应激激活酶组成,可调节机体多种生物学功能,主要涉及细胞增殖、分化、凋亡、免疫调节、心脏收缩、血管生成和癌症等,其中PRKD1与心脏肥大、收缩和缺血再灌注损伤的底物磷酸化有关。相关研究报道,先天性心脏病患者存在PRKD1基因突变,但其在心脏中的特异性功能和分子机制并未阐明。为了便于后期研究PRKD1基因在人类早期心脏发育的作用机制,本文拟利用CRISPR/Cas9技术构建斑马鱼prkd1基因敲除品系。首先,通过生物信息学网站筛选出两个最佳的基因敲除靶位点,合成相应靶位点的单链向导RNA (single guide RNA,sg RNA)和引物;然后,将两个靶位点的sg RNA进行体外转录,并将其与Cas9蛋白混合后共同注射到斑马鱼的1-细胞期;最后,对基因敲除后的F0、F1、F2及F3代斑马鱼的胚胎和成鱼进行有效性鉴定及表型观察。结果显示,靶位点附近出现了不同程度的碱基缺失;成功构建了F1代能够稳定遗传的prkd1基因敲除的3个亚系;与野生型相比, F3代纯合子胚胎表现出不同程度的心腔膨大、环化异常及心管线性化等畸形现象。综上可知,本研究利用CRISPR/Cas9技术成功构建了斑马鱼prkd1基因敲除品系,为进一步研究该基因在人类心脏发育中的特异性功能提供了有益参考,并为后期的先天性心脏病筛查和精准医疗提供了重要依据。

CRISPR/Cas-等温扩增技术在食源性病原菌检测中的研究进展

食源性病原菌引起的食品安全事件引起广泛关注,为保证食品安全,采取有效的检测手段至关重要。新兴的簇状规则间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)及其关联蛋白(CRISPR-associated protein,Cas)组成的CRISPR/Cas系统是广泛存在于细菌和古细菌中的一种获得性免疫系统,可高效、特异性识别并切割外源核酸,与传统技术相比在检测病原菌方面更为高效。本文基于CRISPR/Cas生物传感系统-等温扩增技术联用的相关研究进行综述,对CRISPR/Cas系统的分类、原理以及与等温扩增耦合后在食源性病原菌检测方面的研究进展进行概述,并对其在即时检测应用中的前景以及所面临的挑战进行深入探讨,以期为CRISPR/Cas生物传感系统的进一步发展提供参考。

基于CRISPR/Cas9技术构建猪KLF4基因敲除细胞系及其对细胞活性的影响分析

【目的】试验旨在利用CRISPR/Cas9技术构建Krüppel样因子4(Krüppel-like factor 4,KLF4)基因敲除的猪小肠上皮细胞,并探究KLF4基因敲除对于细胞活性和细胞周期的影响。【方法】在猪KLF4基因转录本第1外显子区域设计3条sgRNAs(sgRNA1、sgRNA2和sgRNA3),经退火形成的双链DNA与线性化pGK1.1载体连接,产物转化大肠杆菌Top10感受态细胞进行鉴定,并将重组载体转染至猪小肠上皮细胞(IPEC-J2)。PCR扩增敲除位点附近序列,并通过测序判断sgRNA敲除效率;利用CruiserTMEnzyme酶切鉴定阳性细胞克隆,通过TA克隆测序鉴定敲除序列;利用Western blotting检测基因敲除细胞中KLF4蛋白表达情况。利用CCK-8和流式细胞术检测KLF4基因敲除后细胞活性和细胞周期的变化。【结果】重组载体测序结果显示,sgRNAs与pGK1.1成功连接。分析敲除效率发现,3个sgRNAs均可对靶序列进行敲除,其中sgRNA3有较高的敲除效率。PCR产物经CruiserTMEnzyme酶切筛选出2个阳性单克隆细胞。TA克隆测序分析发现,KLF4基因2个等位基因序列分别缺失116和137 bp。Western blotting结果表明,KLF4基因敲除细胞中未见KLF4蛋白表达。细胞活性及细胞周期分析显示,敲除KLF4基因极显著抑制了细胞活性(P<0.01),并导致G0/S细胞周期阻滞。【结论】本研究利用CRISPR/Cas9技术构建了KLF4基因敲除的IPEC-J2细胞,且KLF4基因敲除可抑制细胞活性,并引起G0/S细胞周期阻滞。KLF4基因敲除细胞可为进一步探究KLF4基因功能及分子机制提供材料。

利用CRISPR/Cas9技术编辑GmBADH1基因改变大豆耐盐性

耐盐基因功能鉴定对于大豆品种改良以及盐碱地的开发利用至关重要。盐害胁迫下作物通过合成和积累甜菜碱作为渗透保护剂,减小盐害对作物产量的影响。BADH基因已在多种植物中被证实调节植物对逆境胁迫的响应,但在大豆中的调控机制尚不清晰。本研究克隆了GmBADH1基因,qRT-PCR显示该基因在根、茎、叶中均有表达,尤其在根中的表达丰度最高。通过农杆菌介导的大豆遗传转化技术将CRISPR/Cas9系统构建的表达载体转入到大豆品种JACK中,产生了3种可以调控大豆耐盐性状的靶向突变,均发生在编码区,分别为缺失19 bp、插入1 bp、插入9bp替换2 bp。前两者,过早出现的终止密码子,使其均产生截断的BADH1蛋白,后者发生移码突变。在出苗期和苗期分别对突变纯合植株进行盐处理,结果表明,出苗期耐盐性与野生型相比显著下降,苗期与野生型相比无明显差异。这说明GmBADH1基因可能主要调控出苗期的耐盐性状。本研究为深入挖掘大豆耐盐基因和培育大豆耐盐品种提供了依据。

利用CRISPR/Cas9技术敲除OsNramp5创制镉低积累水稻新种质

大米镉超标问题严重威胁人体健康。水稻镉吸收转运基因OsNramp5的功能缺失可有效降低镉在稻米中的积累。为了快速创制镉低积累的水稻新种质,本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除三系杂交稻优质抗病恢复系川恢491(R491)中的镉吸收转运基因OsNramp5,获得了多种不同突变方式的编辑植株,并筛选出单靶点突变无转基因成份的两种纯合突变株系(KO1和KO2)。在镉污染土壤中种植并测定野生型和敲除植株糙米的镉含量,结果显示,相比于野生型R491,敲除株系KO1和KO2糙米中的镉含量显著下降,均降低约90%左右。农艺性状调查结果发现,相比野生型R491,KO1突变株系的农艺性状没有显著差异,但KO2突变株系的株高、结实率和千粒重显著降低。因此,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除镉吸收转运基因OsNramp5可快速创制镉低积累的水稻新种质,本研究创制的新种质为加速培育可在镉污染区种植的安全水稻品种提供了新的遗传资源。

基于CRISPR/Cas9技术的全基因组基因编辑MDCK细胞文库的构建

本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术,首先靶向犬全基因组设计合成转录sgRNA的DNA文库,并将DNA文库全部克隆于lentiCRISPR v2慢病毒转移载体上,高通量测序结果显示文库覆盖度高、均一性良好。将质粒文库和慢病毒包装系统质粒共转染293T细胞,收取含慢病毒样病毒的上清液感染MDCK细胞,在最适浓度嘌呤霉素筛选下,收集嘌呤霉素抗性细胞,冻存于-80℃,提取一部分细胞的基因组,通过PCR扩增转录sgRNA的DNA,将PCR产物插入到T载体后,挑取单克隆菌落,测序表明细胞文库中转录的sgRNA具有较好的覆盖度。本实验成功构建了犬全基因组范围转录sgRNA的质粒文库,并成功构建了MDCK细胞全基因组范围的基因编辑细胞库,该文库可作为后续筛选病毒复制关键宿主因子的细胞平台。