CRISPR干扰:一种由假说到现实的基因沉默技术

在细菌和古细菌中,成簇而规律间隔的短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)是其适应性免疫系统的重要部分。Cas蛋白与crRNA形成复合体,后者以碱基互补配对方式特异性识别外源基因,Cas蛋白发挥酶活性将其切断;CRISPRi系统是将Cas9蛋白酶活性去除,复合体仅与目的基因结合而非剪切,直接阻断编码区转录,此作用机制完全不同于RNA干扰。本文重点综述CRISPRi系统基本结构及其作用机理。

基于dCasMINI蛋白的CRISPRi工具设计及其效果探究

目的探索基于去活化CasMINI蛋白(dCasMINI)的CRISPR干扰(CRISPRi)工具设计及其转录抑制效果评估。方法采用四环素诱导基因开启系统(tet-on),流式细胞测量术和实时荧光定量反转录聚合酶链反应从质粒基因、基因组外源性基因位点和内源性基因位点三个层次评估dCasMINI系统在哺乳动物细胞中的转录抑制效果,并进一步设计和比较6种dCasMINI-CRISPRi工具(dCasMINI、dCasMINI-ZIM3 KRAB、dCasMINI-KRAB-MeCP2、dCasMINI-ZNF324 KRAB、dCasMINI-3x KRAB和dCasMINI-Com-KRAB-MeCP2)和不同位置单链引导RNA(single guide RNA,sgRNA)的转录抑制效果。结果dCasMINI、dCasMINI-ZIM3 KRAB、dCasMINI-KRAB-MeCP2、dCasMINI-ZNF324 KRAB、dCasMINI-3x KRAB和dCasMINI-Com-KRAB-MeCP2能够不同程度地抑制质粒基因、基因组外源性基因的转录(P<0.05);dCasMINI-ZIM3 KRAB、dCasMINI-KRAB-MeCP2、dCasMINI-ZNF324 KRAB和dCasMINI-Com-KRAB-MeCP2能够不同程度地抑制内源性基因的转录(P<0.05);不同结合位点的sgRNA具有不同的转录抑制效果(P<0.05)。结论CasMINI系统能够改造成多种CRISPRi工具进行基因敲降研究,未来有望应用在多个场景,如原代细胞表观基因编辑、体内筛选和临床治疗等。

新型基因编辑技术CRISPR/Cas9系统研究现状

规律成簇间隔短回文重复序列及其相关系统(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR associated,CRISPR/Cas system)是细菌和古细菌防御外来噬菌体、质粒或其他外源DNA侵染的获得性免疫系统.依据Cas蛋白种类和同源性,CRISPR/Cas系统被分为3类,其中,Ⅰ类和Ⅲ类需要多种Cas蛋白参与,而Ⅱ类系统,即CRISPR/Cas9组成简单,仅需Cas9蛋白参与即可.经过遗传工程改造后的CRISPR/Cas9已经作为一种新型的基因编辑工具被用于多种生物的基因组编辑.本文就CRISPR/Cas9系统的发现、结构组成、作用机制、研究现状、面临的困境及应用前景等几方面进行了总结.

CRISPR系统转化医学研究进展

CRISPR系统作为在现今科学研究中对基因编辑运用广泛的一项技术,在后基因组学时代对于基因功能研究、疾病发生发展机制以及基因靶向药物等研究具有重要意义。目前人们运用CRISPR/Cas9编辑技术成功构建细胞和模式生物模型用于临床医学研究。CRISPR/Cas9作为一类强大的基因编辑技术不单只运用于基因功能缺失或外源基因敲入等研究中,CRISPR基因敲除文库筛选系统、CRISPR/dCas9基因激活系统、CRISPR干扰技术和CRISPR分子诊断技术等CRISPR转化医学研究将CRISPR应用于基因高通量筛选、基因沉默导致疾病发生、跨表观遗传修饰激活基因表达、可逆性干扰靶标基因表达以及运用CRISPR分子诊断检测病原微生物感染性疾病等临床研究中,推动生命科学和临床医学等多学科的发展。针对CRISPR系统在转化医学中的研究应用进行阐述。

CRISPRi靶向调控HCV复制相关miR-122的表达

目的:探索CRISPR干扰(CRISPR interference,CRISPRi)特异性抑制肝癌细胞Hep G2内源性miR-122表达.方法:设计靶向mi R-122启动子区TATA盒和转录起始位点(transcription start site,TSS)的sg RNA(sg T1和sg T2),与无DNA内切酶活性仅保留识别特性的d Cas9-KRAB载体共转染Hep G2细胞,通过实时定量PCR(quantitative Real-time PCR,qR T-PCR)方法检测miR-122的表达并确立有效的sgR NA;设计不同的sgR NA浓度,探索CRISPRi抑制作用的剂量依赖性;通过qR T-PCR及Western blot方法检测miR-122靶分子HOMX1和CyclinG 1的表达变化.结果:sg T1和sg T2介导的CRISPRi分别将肝癌细胞Hep G2内源性mi R-122的表达水平抑制5.5倍(P<0.01)和3.7倍(P<0.01);CRIPSRi抑制效应是sgR NA剂量依赖性的,当lentiG uidePuro-sgT 1质粒为500 ng时,可将miR-122的表达抑制10.0倍(P<0.01);CRIPSRi抑制肝癌细胞Hep G2内源性mi R-122表达的同时,上调了mi R-122下游靶分子HMOX1和Cyclin G1的表达.结论:本研究利用CRISPRi技术实现了对肝癌细胞Hep G2内源性mi R-122表达的特异性抑制,为抗丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV)提供了全新的策略.

CRISPRi/ddCpf1促进大肠杆菌中丙二酰辅酶A的积累

丙二酰辅酶A是多种有价值化合物(包括食品、保健品等)合成的重要前体物质,其合成已成为大肠杆菌中生产目标代谢物的潜在瓶颈。为解决其生物合成的瓶颈问题,作者通过CRISPR干扰(CRISPR interference,CRISPRi)促进丙二酰辅酶A的积累。首先,构建了丙二酰辅酶A的生物传感器,实现了其快速、可视化的胞内测量。随后,构建了CRISPRi/ddCpf1系统,实现了基因转录的抑制,并尝试用ddCpf1(催化失活的Cpf1)和RNA聚合酶抑制蛋白Gp2融合表达(CRISPRi/ddCpf1-Gp2)。结果表明,Gp2虽然有一定的转录抑制效果,但是严重影响了生长。最后,利用CRISPRi/ddCpf1系统进行两组双靶点基因抑制,分别靶向乙醛脱氢酶和3-氧代酰基-酰基载体蛋白合酶II基因,以及3-氧代酰基-酰基载体蛋白合酶I和琥珀酰辅酶A合成酶基因,均实现了丙二酰辅酶A浓度的提高。

基因增变器驱动的酿酒酵母基因组连续进化

酿酒酵母是工业生物技术最常用的底盘细胞之一,被广泛应用于生物基化学品和高附加值产品的大规模生产。鉴于生物体系代谢和调控网络的复杂性,由多基因协同控制的复杂生理性状的改造通常需要采取全基因组进化来实现。为实现酿酒酵母基因组的快速进化,本研究采用CRISPR干扰技术(CRISPRi)调控与染色体复制和稳定性相关基因(MSH2、TSA1、RAD27和CLB5,即增变基因)的表达水平,构建了能够调控酿酒酵母基因组突变率和突变类型的基因增变器。利用基因增变器提高酿酒酵母的β-胡萝卜素合成水平、木糖利用效率和异丁醇耐受性。此外,构建了混合基因增变器和多重基因增变器,进一步探究了不同表型基因组进化所需的最佳突变类型以及不同突变类型之间的协同进化机制。本研究不仅可用于创建高性能酿酒酵母细胞工厂,还有可能发展一个具有普遍适用性的基因组连续进化策略。

规律成簇间隔短回文重复-相关核酸内切酶9技术在基因组编辑和基因转录调控中的应用

规律成簇间隔短回文重复(CRISPR)及CRISPR相关核酸内切酶(Cas)系统是古生菌和细菌中一类重要的获得性免疫系统,可有效抵御噬菌体等外源遗传物质的侵袭、感染。近年来,CRISPR-Cas9系统被发展为一种由RNA指导核酸内切酶的基因编辑技术。本文就该技术在基因组编辑及基因转录调控中的应用进行综述。

合成生物学新技术在基因表达精确调控和提高脂肪酸合成效率方面的应用

基因表达是生物体最重要的生理活动之一,而对基因表达进行精确的人工调控则是控制生物体蛋白合成以及生理活动的重要手段.上海交通大学国际基因工程机器大赛(InternationalGenetically Engineered Machine Competition,iGEM)团队自2009年参赛以来,多次应用合成生物学方法成功创建了稀有密码子开关、细胞膜支架和光控CRISPR干扰(CRISPRi)系统3种新型基因调控元件.通过在目的基因的起始密码子后插入合适数量的稀有密码子,对基因表达进行精确调节,调控一个多酶体系在最适化学计量比上进行反应;细胞膜支架可将目标蛋白固定在细胞内膜上,缩短不同蛋白之间的空间距离,加速酶催化反应速率;光控CRISPRi系统则创新性地将生物感光系统与新兴的CRISPRi技术相结合,通过光信号在转录水平上精确调控生物体内源基因的表达.这3项新技术在大肠杆菌脂肪酸合成方面均得到了成功的应用,从而提高了脂肪酸的合成量和分泌效率.

人胚胎干细胞多基因同时抑制系统的建立

目的·在人胚胎干细胞(human embryonic stem cells,hESCs)中构建基于CRISPR 干扰系统的多基因同时抑制系统,作为研究家族基因功能和构建多基因疾病模型的工具。方法·通过Golden Gate 克隆法在hESCs 中建立受强力霉素(doxycycline,Dox)调控的多基因CRISPR 干扰系统。该系统主要由2 个质粒组成:1 个质粒在Dox 调控下融合表达核酸酶失活的CRISPR 相关蛋白9(nucleasedeactivatedCRISPR-associated protein 9,dCas9)和Krüppel 相关盒(Krüppel-associated box,KRAB)抑制结构域(dCas9-KRAB),另1 个质粒可同时表达8 个独立的导向RNA(guide RNA,gRNA)来分别引导dCas9-KRAB 蛋白到基因组特定位点抑制转录起始或延伸。以基因组DNA 为模板进行PCR,确定2 个质粒是否整合至细胞基因组,并通过Western blotting 确定细胞在Dox 诱导下是否可表达dCas9-KRAB 蛋白。结果·使用这种可调控的多基因CRISPR 干扰系统,可在Dox 诱导下在hESCs 中同时成功抑制多个基因的表达;并且这些基因的表达被抑制导致hESCs 形态改变,碱性磷酸酶活性下降,hESCs 表面标志物阶段特异性胚胎表面抗原4(stagespecificembryonic antigen 4,SSEA4)的表达下降,hESCs 发生分化。结论·该CRISPR 干扰系统可以在hESCs 中高效地同时抑制多个基因的表达,是十分有效的多基因研究工具。

益生菌的功能基因导入和基因编辑

益生菌已经在临床和食品领域应用多年,其安全性和有效性已经获得人们的认可。随着分子生物学技术的发展,采用益生菌作为载体进行基因导入或基因编辑,这些遗传改造的益生菌一部分已经作为新的药品或疫苗进入到临床应用阶段。携带功能基因的益生菌定殖于肠道进行表达和缓慢释放,这类益生菌作为活体药物获得益生菌和功能基因的双重功效,可用于治疗某些疑难病症。携带蛋白质抗原基因的益生菌定殖于肠道进行表达,可诱导肠道黏膜免疫、细胞免疫和体液免疫,这是一条更安全的口服疫苗途径。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)以其高效与便捷性推动了益生菌基因编辑的发展。这篇综述介绍了CRISPR-Cas9操作系统在益生菌方面的应用。对传统遗传操作较难的益生菌采用CRISPR-Cas9技术进行基因编辑,使其基因敲除和基因突变,基因敲入和基因调控等更为简单、高效和易操作。这些CRISPR/Cas9、CRISPRa和CRISPRi技术在益生菌的基因表达调控和代谢工程等领域具有巨大的应用潜力,例如医药、食品以及工业等相关重要产品的获得。本文总结了益生菌基因导入和基因编辑在生物制品生产中的相关应用,最后对其未来的研究方向进行展望。

体外转录CRISPR相关RNA降低铜绿假单胞菌耐药性的研究

目的 :利用铜绿相假单胞菌CRISPR相关RNA(cr RNA)干扰其耐药基因的表达,以降低泛耐药菌株的耐药性。方法 :体外转录获得靶向铜绿假单胞菌耐药相关基因rhl I的cr RNA,热激法将cr RNA转化进入铜绿假单胞菌,纸片扩散法测定细菌转化前后的抑菌圈直径,采用非参数估计的配对秩和检验对药敏结果进行统计学分析。结果 :成功转录出针对rhl I基因的cr RNAs,且铜绿假单胞菌转化后抑菌圈的直径要显著大于转化前的直径。结论 :体外转录的cr RNAs可以降低铜绿假单胞菌泛耐药菌株的耐药性。