CRISPR-Cas基因编辑技术在羊生产应用中研究进展

基因编辑是一种能够进行基因组修饰的基因工程技术。近年来,随着分子生物学技术的飞速发展,成簇规则间隔短回文重复序列相关蛋白系统(clustered regularly interspaced short palindromic repeats associated protein,CRISPR-Cas)作为新发展起来的一种强大的基因编辑工具,因具有高效性、精确性和灵活性而被广泛应用。CRISPR-Cas系统通过在特定基因组位点引入插入、缺失或单碱基替换等方式实现位点的特异性修饰,在畜牧生产的诸多领域做出了重大贡献。在羊生产应用方面,通过建立改善生产经济性状和抗病性的绵山羊动物模型,可以对关键基因的功能进行研究,从而加速性状的改良。本文主要综述了CRISPR-Cas系统的机制与功能及其在羊繁殖性状、肉用性状、产毛性状、泌乳性状和抗病性状生产应用与创建羊动物模型方面的研究进展。

国际视野下CRISPR-Cas基因编辑作物的安全评价制度研究

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》在“强化国家战略科技力量”章节中指出,要瞄准生物育种等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。2012年CRISPR-Cas基因编辑技术取得重大突破后,便在全球农作物品种改良和粮食安全方面发挥着重要的作用,但随后也引起了大量伦理、法律和政策方面的讨论,其中最为基础的、也是最引人关切的问题便是CRISPR-Cas基因编辑农作物的安全性评估。因此,本文聚焦CRISPRCas基因编辑农作物的安全评价制度,梳理不同国家和地区相关的立法规制,以期为我国在此领域的监管提供思路与借鉴。

CRISPR-Cas基因编辑技术在微生物组工程中的应用

微生物组工程是对复杂微生物群落进行改造,在基因组、代谢组及群落生态结构等多个层次上实现微生物组的精准调控.成簇规律间隔短回文序列(CRISPR)及其相关蛋白(CRISPR-Cas)系统是近期发展迅速的高效基因编辑工具.本文回顾了微生物组工程领域CRISPR-Cas系统的重要研究工作,重点关注CRISPR-Cas系统在微生物组的基因编辑和生态调控方面的应用.针对CRISPR-Cas系统在微生物组工程领域的应用挑战,本文从外源DNA递送方式和基因表达调控元件两个方面总结了微生物组工程的关键辅助方法与发展趋势,展望了微生物组工程领域所面临的挑战与机遇.

CRISPR-Cas基因编辑技术在泌尿系统肿瘤研究中的应用

基于成簇规律间隔短回文重复系统(clustered regularly interspaced short palindromic repeat-clustered regularly interspaced short palindromic repeats associated system,CRISPR-Cas)的基因编辑技术是一种新兴的基因编辑技术,它能精准完成外源DNA的识别与编辑,为基因工程提供了革命性的分子工具。CRIPSR-Cas基因编辑技术具有操作简便、易于设计等特点,将其运用于泌尿系统肿瘤研究中,可为泌尿系肿瘤相关基因的功能学研究提供新方法,进而更好地服务临床诊疗。本文将对CRISPRCas基因编辑技术分子结构与工作原理、在泌尿系肿瘤研究中的应用现状、最新进展及存在的问题进行综述。

CRISPR-Cas基因编辑系统升级:聚焦Cas蛋白和PAM

以CRISPR-Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats and CRISPR associated proteins)系统为代表的基因编辑技术的出现极大地促进了人类改造自然界物种的能力。在医疗、工业、农业等多个研究领域,基因编辑技术正在被广泛应用。Cas蛋白是CRISPR-Cas系统的功能蛋白,不同类型的Cas蛋白在其自身活性、识别位点、切割末端、RNA需求等方面具有不同的特性。PAM (protospacer adjacent motif)是靶位点附近的若干个碱基,对Cas蛋白识别靶序列至关重要,也是CRISPR-Cas系统发挥功效的关键特性之一。目前已有多种不同的PAM鉴定方法被报道。本文对Cas蛋白的寻找、Cas蛋白突变体筛选及PAM的确定方法(含PAM谱拓展)进行了综述,以期为新型基因编辑工具的发展和优化提供借鉴。

利用CRISPR-Cas9基因编辑技术敲除HOXA5基因对急性髓系白血病细胞增殖的影响

目的:通过CRISPR-Cas9基因编辑技术构建稳定敲除HOXA5基因的急性髓系白血病(AML)细胞株,明确HOXA5基因敲除对AML细胞增殖的影响,初步探索HOXA5基因在AML发病中的作用。方法:通过荧光定量PCR(qRT-PCR)和Western blot技术分别检测血液系统非肿瘤患者与初诊AML患者骨髓单个核细胞(BMMC)中HOXA5的表达;应用CRISPR-Cas9基因编辑技术构建稳定敲除HOXA5基因的AML细胞株KO-HOXA5-THP-1,通过qRT-PCR和Western blot检测KO-HOXA5-THP-1细胞中HOXA5的表达,并采用CCK-8实验检测细胞增殖情况。结果:与血液系统非肿瘤患者相比,初诊AML患者骨髓单个核细胞中HOXA5基因及蛋白水平均显著升高(P<0.05)。应用CRISPR-Cas9基因编辑技术能够获得稳定敲除HOXA5基因的细胞株,而且敲除HOXA5基因后的THP-1细胞株的增殖能力显著下降(P<0.05)。结论:HOXA5在AML细胞中高表达,敲除HOXA5能够显著影响AML细胞的增殖能力,这为急性髓系白血病的精准治疗提供了一个新的潜在治疗靶点。

利用CRISPR-Cas系统研究食源性致病菌的基因编辑与调控

本文基于CRISPR-Cas系统,构建了食源性致病菌基因检测模型。利用基因编码测度技术对Cas蛋白基因中的向导RNA序列进行识别,提取其中的主要基因特征并进行分类。在此基础上,分别使用基因表达与分子诊断技术,根据序列特征,对基因表达数据的差异性与菌属分布概率进行分析。结果表明:通过设计特异性识别的向导RNA和基因差异表达的分析,实现对目标基因和致病菌的检测。这种方法为食源性致病菌的基因检测提供了一种精确、可靠且高效的工具。

木薯MeMLO12基因克隆及其CRISPR-Cas9表达载体的构建

MLO基因是植物中特有的一类抗病性负调控因子,该基因突变导致植物产生广谱抗病性。本研究从木薯全基因组中克隆获得木薯MLO12基因的DNA和cDNA序列,并将其命名为MeMLO12。该基因全长3743 nt、编码区(ORF)全长1728 nt,具有一个完整的开放阅读框,含有15个外显子和14个内含子,编码586个氨基酸,蛋白的分子质量为67.2 kDa,等电点为8.85。该基因编码的蛋白定位在内质网膜上,无信号肽,在23~45、74~96、161~183、285~307、312~334、371~393、413~435 aa处形成7次跨膜结构域。qRT-PCR定量分析发现,受木薯黄单胞病菌侵染后,MeMLO12基因在木薯抗、感品种中的表达量存在明显的差异,参与木薯与黄单胞菌之间的互作,表现出负调控作用。选择该基因第11个外显子进行Snap Gene Viewer分析,获得了10 455条sgRNA的种子序列,从中选取3条靶序列约23 nt,碱基组成上3'末端含G结尾,将其构建到CRISPR-Cas9载体上,经验证,确认MeMLO12的3条靶序列已经成功构建到基因编辑载体上,将其命名为pSGR-Cas9-AT-MeMLO12载体。

小白链霉菌中CRISPR-Cas9基因敲除系统的构建与优化

小白链霉菌(Streptomyces albulus)是工业上生产ε-聚赖氨酸的主要菌株。为提高S.albulus的ε-聚赖氨酸合成能力,基于诱变和抗性筛选的传统育种方法被普遍应用。然而,由于传统育种存在“疲劳效应”,当前S.albulus的育种陷入了瓶颈。为利用代谢工程方法进一步提高S.albulus的ε-聚赖氨酸合成能力,亟需建立基于CRISPR-Cas9的基因编辑方法。为此,该文以S.albulus GS114为研究对象,以ε-聚赖氨酸合成酶基因pls为靶基因,构建了CRISPR-Cas9基因敲除系统,成功敲除了pls,编辑效率为100%。为进一步提高获得的敲除株数量,对S.albulus GS114结合转移条件进行了系统优化,获得的最优结合转移条件为:供受体比例1∶1,镁离子浓度30 mmol/L,55℃热激孢子10 min,培养20 h后覆盖抗生素。在最优转移条件下,结合转移效率达到2.5×10^(-8),较优化前提高了78%。该研究结果一方面为后续S.albulus的代谢工程改造提供了重要工具,另一方面为其他工业链霉菌构建CRISPR-Cas系统提供了重要参考。

基于CRISPR-Cas9系统构建LEU1基因缺失酿酒酵母用于酿造低醉酒度米酒

为探究酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)异丙基苹果酸合成酶基因LEU1的缺失对酿造米酒生成高级醇的影响,该研究构建重组质粒p414-Cas9-BleoR和p426-gRNA.LEU1-kanMX后电转化酿酒酵母XF0,利用成簇规则间隔的短回文重复序列及其相关蛋白9(CRISPR-Cas9)系统构建LEU1基因缺失的酿酒酵母XF0-L。将出发菌株XF0和重组菌株XF0-L进行培养基模拟发酵和米酒发酵,测定发酵酒的理化指标和高级醇含量。结果表明,菌株XF0-L与XF0模拟发酵酒的理化指标无显著差异(P>0.05),说明LEU1基因的缺失对酿酒酵母发酵性能无影响。相较于出发菌株XF0,重组菌株XF0-L模拟发酵酒中正丙醇(26.27 mg/L)和异丁醇含量(88.64 mg/L)分别提高21.96%和85.25%,异戊醇含量(141.82 mg/L)、异戊醇/正丙醇(5.39)、异戊醇/异丁醇(1.60)分别降低15.53%、30.99%、54.42%;相较于出发菌株XF0,重组菌株XF0-L发酵米酒中正丙醇(268.67 mg/L)和异丁醇含量(992.33 mg/L)分别提高14.17%、52.90%,异戊醇含量(1016.33 mg/L)、异戊醇/正丙醇(3.78)、异戊醇/异丁醇(1.02)分别降低13.58%、24.40%、43.65%,说明重组菌株XF0-L能够显著降低发酵酒中的异戊醇/正丙醇、异戊醇/异丁醇从而降低醉酒度(P<0.05)。

CRISPR-Cas9基因编辑技术对细胞内源蛋白进行荧光标记的实验操作

CRISPR-Cas9是目前广泛应用的基因编辑技术,可对目的基因进行高效精准编辑,快速实现目的基因的敲除或敲入。Cas9蛋白在sgRNA引导下对靶序列进行剪切并造成DNA双链断裂,在与剪切位点两端同源的DNA模板序列存在时,可通过同源重组修复方式引入外源序列,实现荧光蛋白或其他标签在基因组上的精准敲入,进而实现对内源蛋白进行荧光标签的融合标记。通过基因编辑技术对内源目的蛋白进行标记,可避免由于过表达造成蛋白质定位、动力学或功能等的潜在影响,可显著提升细胞成像实验的稳定性和可重复性。本文重点介绍了利用CRISPR-Cas9基因编辑系统对目的蛋白进行荧光蛋白或自标记蛋白标签标记的方法与操作流程,为构建内源蛋白荧光标记的哺乳动物细胞系提供参考。

利用CRISPR-Cas9技术编辑Badh2基因创制优质香型籼稻三系不育系

稻米香味是水稻的重要食味品质之一,其主要受第8染色体上编码甜菜碱脱氢酶基因Badh2控制,该基因突变可导致香味物质2-乙酰-1-吡咯啉(2-AP)的含量增加从而促进香味的产生。本研究以三明市农业科学研究院自主选育的优质籼型杂交稻保持系明太B为受体,利用CRISPR-Cas9技术对其Badh2基因进行编辑和敲除。获得2个T0代转基因纯合突变体植株并对其衍生的48个T1代单株进行鉴定和分析,获得1个不含转基因载体骨架且在第2外显子插入单个碱基T的纯合突变体株系明太B-badh2。利用半定量PCR和qRT-PCR技术以及气相色谱质谱联用仪(GC-MS)检测Badh2基因相对表达量和2-AP含量;同时采用农业行业标准(NY/T1433-2014)推荐的48对水稻SSR引物进行指纹图谱分析。结果表明,该株系Badh2基因RNA表达水平显著下调;籽粒中香味物质2-AP的含量显著增加;指纹图谱分析发现,仅1对引物Rm571在野生型和突变体之间鉴定到等位变异,两组材料遗传差异较小。此外,本研究还对野生型和突变体T2代植株表型性状、稻米蒸煮食味品质和外观品质指标进行了考察和测定分析。结果表明,所有指标在两组材料间均无显著差异。进一步采用测交和回交转育方法并结合Badh2位点测序分析,成功选育获得了其对应的纯合香型三系不育系明太A-badh2。通过与恢复系明恢703、明恢3009测配,其组合产量与国家审定品种明太优703、明太优3009相近且表现出较强的超标优势。此外,通过与香型恢复系明恢1831测配后发现其组合籽粒中香味物质2-AP含量极显著高于对照组合明太A/明恢1831。因此,利用CRISPR-Cas9基因编辑技术,可对水稻香味基因Badh2进行精准定向编辑和敲除,实现对水稻香味性状的改良,为创制香型籼稻不育系提供理论指导,从而加快香型杂交稻育种进程。

基因编辑技术CRISPR-Cas9在畜禽改良领域的应用

基因编辑技术是一种新兴的基因改良方法,其可以精准地修改生物体的基因序列,从而改变生物体性状。在畜禽改良领域,CRISPR-Cas9技术可以被用来改良畜禽的生长速度、肉质品质、疾病抗性等。本文将从CRISPR-Cas9技术在畜禽改良方面的应用现状及未来发展方向进行阐述。

CRISPR-Cas9基因编辑技术在特种药材中的研究与应用

CRISPR-Cas9基因编辑技术是继锌指核酸酶(ZFNs)和TALEN核酸酶(TALENs)之后、可高效定点编辑的第三代基因编辑技术,是目前基因功能研究和遗传疾病治疗等生命科学领域最前沿的基因编辑技术,在植物现代生物技术中占据着很重要的地位,特别是在作物遗传改良方面。作为作物遗传改良育种的有效技术手段,CRISPR-Cas9基因编辑技术为创制特种药材新种质资源特别是专用型品种资源带来了新契机,对于特种药材种质创新具有极其重要的作用。本文对CRISPR-Cas9基因编辑技术在特种药材中的研究与应用进行了综述,以期为特种药材的基因功能研究以及种质创新工作提供良好的研究基础与理论依据。

利用CRISPR/Cas9技术编辑OsOFP30基因创制水稻粒型突变体

【目的】研究水稻OFP家族转录因子OsOFP30对粒型的影响,创制新的粒型突变材料,为水稻粒型改良提供参考。【方法】以粳稻品种中花11为受体材料,利用CRISPR/Cas9技术对OsOFP30基因进行定向编辑;通过T_(0)、T_(1)和T_(2)代连续筛选,获得3类无外源片段插入的纯合突变体(长片段删除突变OsOFP30^(-89)、单碱基插入突变OsOFP30^(+1G)和OsOFP30^(+1A));分析粒型变异,进行生物信息学和测序分析,初步确定粒型变异原因。【结果】与野生型相比,3类突变体的粒宽和千粒重都显著降低,OsOFP30^(-89)和OsOFP30^(+1G)仅粒长和粒厚显著降低,穗型指标与野生型无明显差异,OsOFP30^(+1A)的粒长和粒厚与野生型无明显差异,仅一次枝梗数显著低于野生型;生物信息学分析表明,这3类突变体均由移码突变导致的翻译提前终止所产生,OsOFP30^(-89)突变蛋白长度为252个氨基酸,OsOFP30^(+1G)和OsOFP30^(+1A)突变蛋白长度均为282个氨基酸,两者仅第323位的核酸序列存在G和A的单碱基差异,导致突变蛋白第108位产生丝氨酸和天冬酰胺的差别。【结论】初步判断OsOFP30基因可调控水稻粒型变异。本研究创制了新的粒型突变材料,可为水稻粒型改良育种提供参考。

基于CRISPR/Cas9的棉花GhbHLH71基因编辑突变体的分析

碱性/螺旋-环-螺旋(basic/helix-loop-helix,bHLH)转录因子在植物的生长发育、次生代谢、信号转导、逆境胁迫等方面起重要的调控作用。棉花GhbHLH71基因c DNA全长996 bp,编码331个氨基酸残基,蛋白序列中含有保守的bHLH结构域,属于bHLH转录因子家族成员。实时荧光定量分析结果表明,GhbHLH71基因在棉花纤维快速伸长期3~12 DPA (days post anthesis,DPA)相对高表达,暗示其主要在棉花纤维发育过程中发挥作用。构建该基因的CRISPR/Cas9基因编辑载体进行了棉花遗传转化,T_0代再生株经过Cas9基因的PCR检测以及靶位点突变情况检测分析,获得6个T_0代基因编辑突变体。T_1代不同突变株系在棉花生长发育期的表型性状与对照相比无明显差异,但成熟纤维的长度与对照相比皆明显变短。T_2代突变株系可以稳定遗传T_1代株系纤维变短的表型。其中4#和8#株系连续2代的纤维长度与对照相比缩短比率皆达20%以上,表明GhbHLH71基因的突变主要影响了棉花纤维细胞的伸长。本研究为深入了解棉花中bHLH转录因子的生物学功能以及棉花纤维发育的分子机制提供了一定的参考。

论非法植入基因编辑、克隆胚胎罪保护法益

随着世界范围内基因编辑技术的发展,人类有了攻克遗传疾病的希望。但是“基因编辑婴儿”案的出现,使我们必须思考如何通过法律来防范基因编辑技术对人类生活的冲击。在刑法规制层面,准确把握非法植入基因编辑、克隆胚胎罪的保护法益是进一步思考的前提。既往的研究将该罪法益限定为人性尊严、医疗秩序或人类遗传安全,但这并非真正的适格法益,无助于法益机能的发挥。合理界定该罪法益的方向应当是综合分析规范目的、法益性质、价值判断以及行为对象。基于以上方法,将非法植入基因编辑、克隆胚胎罪的保护法益确定为人类遗传基因具有合理性。该法益界定一方面明确了“情节严重”的类型,另一方面可以作为出罪事由的判定标准,划定了犯罪行为与科研行为的界限。

滥用基因编辑技术的刑法应对与司法认定——以《刑法》第336条之一为视角

滥用基因编辑技术行为的社会危害决定了其入罪的必然性和合理性,但是其入罪历程一波三折,相关条文在两次审议中都进行了相应修改。从立法本义出发,非法植入基因编辑、克隆胚胎罪的保护法益并非不确定的风险,当前也不存在具体可违反的秩序法益,应将其界定为以人类胚胎为载体的生命健康以及人格尊严。作为行为犯,该罪的既遂应以植入行为完成为标准。同时,本罪的成立还需在行为完成的基础上考虑情节是否达到严重的程度。

CRISPR/Cas基因编辑及其新兴技术在丝状真菌研究中的系统应用

丝状真菌(filamentous fungi)具有独特的形态和细胞构造,与人类健康和工农业生产息息相关,对这类生物资源的开发和利用高度依赖高效的基因编辑平台。然而,由于丝状真菌复杂多样的遗传背景,使用传统的基因编辑技术较难实现大范围的基因编辑,极大地妨碍了丝状真菌的遗传学研究。CRISPR/Cas(clustered regularly interspaced short palindromic repeat/CRISPR-associated protein)技术的出现,打破了这一困境,促进了不同种属和不同来源的丝状真菌的基因编辑,为丝状真菌的基础和应用研究带来了革命性的突破。本文简述了CRISPR/Cas系统的作用机理、分类及基于CRISPR的各种新型技术,归纳总结了丝状真菌中现有的CRISPR/Cas9系统功能组分、多种新兴CRISPR/Cas技术在丝状真菌中的应用现状以及海洋真菌中的CRISPR/Cas技术的应用情况。最后,对CRISPR/Cas系统在丝状真菌中应用进展缓慢、编辑效率低和脱靶效应等问题以及针对这些问题的潜在解决方法进行总结和展望,以期为不同类型的丝状真菌基因编辑平台的构建提供参考。

CRISPR-Cas9介导的基因组编辑技术的研究进展

CRISPR-Cas(clustered regularly interspaced short palindromic repeats-CRISPR-associated proteins)系统为细菌与古生菌中抵御外源病毒或质粒DNA入侵的获得性免疫系统。该系统在crRNA的指导下,使核酸酶Cas识别并降解外源DNA。其中,Ⅱ型CRISPR-Cas系统最为简单,仅包括一个核酸酶Cas9与tracrRNA:crRNA二聚体便可完成其生物功能。基于CRISPR-Cas9的基因组编辑技术的核心为将tracrRNA:crRNA设计为引导RNA,在引导RNA的指导下Cas9定位于特定DNA序列上,进行DNA双链切割,实现基因组的定向编辑。CRISPR-Cas9系统以设计操纵简便、编辑高效与通用性广等优势成为新一代基因组编辑技术,为基因组定向改造调控与应用等带来突破性革命。从CRISPR-Cas9介导的基因组编辑技术的发展与应用等方面综述其最新研究进展,并着重介绍该技术的关键影响因素,为相关研究者提供参考。