基于CRISPR/Cas9系统构建裸鼹鼠HIF-1α基因敲除质粒及其功能验证

目的利用簇状规则间隔回文重复序列(CRISPR)/Cas9基因编辑系统构建质粒并敲除裸鼹鼠皮肤成纤维(NMR skin fibroblasts,NSF)细胞HIF-1α基因,为研究裸鼹鼠的耐低氧机制及缺氧相关疾病的发生发展机制提供体外细胞模型。方法针对裸鼹鼠HIF-1α基因的1~4号外显子区域设计4对sgRNA序列,并成功构建表达质粒。筛选得到最优sgRNA后,转染HEK-293T细胞收集上清液测定病毒滴度。前期用pLenti-Cas9(blast)病毒感染NSF细胞,后用制备的HIF-1α-sgRNA病毒感染表达Cas9蛋白的NSF细胞。经药筛后观察荧光表达,同时提取细胞gDNA和蛋白。通过T7E1酶和Western Blot检测NSF细胞中HIF-1α基因变化及蛋白表达情况。结果Sanger测序显示,所设计的sgRNA成功插入到pX459和pKLV2-U6-sgRNA2载体上,序列验证正确,重组质粒构建成功;T7E1酶切实验成功切除3条带,sgRNA的打靶效率为54%,Western Blot结果表明,经药筛后的裸鼹鼠NSF细胞HIF-1α基因敲除成功,蛋白水平显著降低(P=0.0019);且未发现HIF-1α敲除细胞形态的明显变化,基因敲除对细胞增殖能力无明显影响。结论成功构建靶向裸鼹鼠HIF-1α基因的CRISPR/Cas9质粒,且质粒靶向敲除HIF-1α基因功能验证成功,将有利于裸鼹鼠耐低氧机制研究,并为人类缺氧相关疾病防治提供理论依据。

利用CRISPR/Cas9系统改造酿酒酵母的研究进展

酿酒酵母是常用的工业生产菌株,改造酿酒酵母以提高其生产性能极为重要。然而,传统的改造方法存在步骤繁琐、周期长等问题。CRISPR/Cas9系统是在细菌和古细菌发现的自适应防御系统。目前CRISPR/Cas9系统已经成为基因组编辑的有力工具,能够同时改造酿酒酵母的多个基因。本文综述CRISPR/Cas9系统各组分的作用和系统的构建,介绍sgRNA靶序列的设计原则和代表性设计工具,总结对酿酒酵母进行多基因编辑的策略,以及CRISPR/Cas9系统存在脱靶和编辑效率低的问题和应对展望,为更好地应用CRISPR/Cas9系统改造酿酒酵母提供参考。

CRISPR/Cas9系统在临床医学研究的应用与改进

癌症与遗传疾病等难治性疾病的发生发展一般是多因素协同的结果,涉及复杂的信号网络及多生物分子的相互作用。了解其中驱动的关键元素有助于为临床上的治疗和研究打开新的突破口。然而,探究驱动元素用于难治性疾病治疗的挑战之一是缺乏方便、可编程的基因编辑工具。近年来,新型的CRISPR/Cas9系统由于其组分简单、基因编辑效率高等特点逐渐成为临床医学研究中应用最为广泛的基因编辑工具。本文介绍了CRISPR系统应用于临床研究中的相应进展和潜在挑战。阐述了基于CRISPR系统sgRNA序列重构能改变靶向性及系统本身的可编程性等特性,其可在进行适当的改造和修饰后实现对活细胞染色体的实时成像,用以了解生物体在面临外界刺激时基因组的时空调节。评估了CRISPR系统在基因筛选、免疫治疗和遗传疾病治疗方面的重大价值,尤其是CRISPR系统进行相应改造后系统用在临床研究中安全性与功能性的提升。介绍了CRISPR系统在临床研究中的应用障碍、局限以及对其相应的优化改造,展望CRISPR/Cas9基因编辑技术的应用前景及其在临床医学领域的发展优势,以期能为CRISPR系统的进一步应用与优化提供参考。

靶向小鼠Abcb11基因CRISPR/Cas9系统的构建及效率检测

目的:ABCB11基因突变是肝内胆汁淤积症2型(PFIC-2)的主要病因,本研究试图构建特异性靶向小鼠Abcb11基因的CRISPR/Cas9系统,并检测该系统的基因编辑效率。方法:根据小鼠Abcb11基因的DNA序列,设计3条sgRNA导向序列,通过构建sgRNA表达载体,将sgRNA质粒和Cas9质粒一起转入N2a细胞,药物筛选,阳性细胞DNA的PCR产物测序以及TA克隆测序等实验,完成基因编辑系统构建及效率检测。结果:sgRNA3导向序列可用于编辑小鼠Abcb11基因,编辑效率为61.54%。结论:靶向小鼠Abcb11基因的编辑系统构建成功,且有较高的编辑效率,为后续建立精准模拟人类PFIC-2疾病的小鼠模型以及临床治疗奠定了基础。

CRISPR/Cas9系统中sgRNA设计与脱靶效应评估

基于CRISPR/Cas9系统介导的第三代基因组编辑技术,已成功应用于动物、植物和微生物等诸多物种的基因组改造。如何提高CRISPR/Cas9技术的基因组编辑效率和最大限度降低脱靶风险一直是本领域的研究热点,而使用高效且特异的sg RNA(Small guide RNA)是基因组改造成功的关键性因素之一。目前,已有多款针对CRISPR/Cas9技术的sg RNA设计和/或脱靶效应评估软件,但不同的软件各有优缺点。本文重点对16款sg RNA设计和脱靶效应评估在线和单机版软件的特点进行了阐述,通过制定38项评估指标对不同软件进行了比较分析,最后对11种用于检测基因组编辑效率和脱靶的实验方法,以及如何筛选高效且特异的sg RNA进行了归纳总结。

CRISPR/Cas9系统在家禽中应用研究进展

CRISPR/Cas系统是一种在细菌和古细菌中发现的获得性免疫系统,由规律成簇间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)和CRISPR相关蛋白(CRISPR-associated proteins,Cas)组成。在此基础上改造获得的CRISPR/Cas9基因定点编辑技术可通过设计小的单链引导RNA(single guide RNA,sgRNA)对目标基因进行定向编辑。家禽作为农业经济动物,能够快速高效地生产蛋和肉产品,是世界范围内重要的蛋白质来源,也是极具价值的脊椎动物发育生物学模型。但是受限于卵生动物特点,家禽的受精卵与蛋黄表面紧密结合,未受精的卵子非常难取出,对家禽单细胞阶段受精卵进行靶向遗传修饰的可行性较低,因而家禽功能基因及转基因研究进展较为缓慢。CRISPR/Cas9基因定点编辑技术相较于其他基因编辑系统操作简单,靶向效率高,极大地推动了家禽功能基因的研究进展,是目前筛选和验证家禽功能基因的最有效的工具之一。文章综述了近年来CRISPR/Cas9在家禽细胞、生长发育和性腺分化、家禽疾病、家禽胚胎编辑和转基因家禽制备上的研究进展,以期为CRISPR/Cas9在家禽上的深入研究和应用提供参考。

CRISPR/Cas9系统在基因组DNA片段编辑中的应用

源于细菌和古菌的Ⅱ型成簇规律间隔短回文重复系统[Clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)/CRISPR-associated nuclease 9(Cas9),CRISPR/Cas9]近年被改造成为基因组定点编辑的新技术。由于它具有设计简单、操作方便、费用低廉等巨大优势,给遗传操作领域带来了一场革命性的改变。本文重点介绍了CRISPR/Cas9系统在基因组DNA片段靶向编辑方面的研究和应用,主要包括DNA片段的删除、反转、重复、插入和易位,这一有效的DNA片段编辑方法为研究基因功能、调控元件、组织发育和疾病发生发展提供了有力手段。本文最后展望了Ⅱ型CRISPR/Cas9系统的应用前景和其他类型CRISPR系统的应用潜力,为开展利用基因组DNA片段靶向编辑进行基因调控和功能研究提供参考。

CRISPR/Cas9系统简介及其在疟原虫研究中的应用进展

成簇规律间隔短回文重复序列/Cas关联蛋白9(CRISPR/Cas9)系统改造的基因编辑技术是继锌指核酸酶基因编辑技术和类转录激活因子效应物编辑技术后迅速发展起来的第3代基因编辑技术^([1])。CRISPR/Cas9系统具有操作设计简单,突变效率高,成本低廉等优点,迅速超越以往技术,成为当前最热门的定点基因编辑工具。CRISPR/Cas9基因编辑技术已经在多种动植物细胞中成功应用,包括哺乳动物类甚至人类的细胞。

CRISPR/Cas9系统:基因组定点编辑技术及其在植物基因功能研究中的应用

CRISPR/Cas系统是细菌和古细菌在长期演化过程中形成的一种适应性免疫防御系统,可用来对抗入侵的病毒及外源DNA。相比锌指核酸酶(ZFNs)和TALE核酸酶(TALENs),基于RNA指导的Ⅱ型CRISPR/Cas9系统为基因组定点编辑开辟了一条新的道路,在基因功能研究中具有效率高、成本低、易于操作等显著优点。本文从CRISPR/Cas9系统的基本结构、作用机制及其在植物基因功能研究和作物遗传育种中的应用等方面进行了简述,最后对该系统的发展前景进行了展望。

应用CRISPR/Cas9系统敲除PD-1基因对人T淋巴细胞增殖及分泌IFN-γ的影响

目的:探讨应用CRISPR/Cas9基因编辑系统敲除PD-1基因对人T细胞增殖及分泌IFN-γ的影响。方法:设计靶向PD-1基因的sgRNA序列,应用T7 RNA聚合酶体外分别合成PD-1-sgRNA和Cas9mRNA。利用核转染技术将PD-1-sgRNA和Cas9 mRNA混合物转入激活的人T淋巴细胞,测序确认基因敲除的效率。应用流式细胞术分析基因敲除后T淋巴细胞表型和PD-1的表达情况,锥虫蓝活细胞计数法检测T细胞增殖活力,ELISA检测T细胞分泌IFN-γ情况。结果:体外成功合成PD-1-sgRNA和Cas9 mRNA。将PD-1-sgRNA和Cas9 m RNA核转染T淋巴细胞,测序证实PD-1基因序列编辑效率为58.3%。CRISPR/Cas9系统成功下调T淋巴细胞表面PD-1分子的表达水平[(9.6±1.85)%vs(16.2±2.05)%,P<0.05],PD-1基因敲除不影响T细胞的增殖活力和细胞表型(P>0.05);但PD-1-sgRNA组的效应T细胞分泌IFN-γ水平显著升高(P<0.01)。结论:CRISPR/Cas9基因编辑系统成功敲除人T淋巴细胞PD-1基因,降低PD-1分子表达可阻断PD-1/PD-L1负性调控从而增强T细胞的免疫活性,且促进效应T细胞分泌IFN-γ。

提高CRISPR/Cas9系统靶向编辑效率方法的研究进展

近年来,CRISPR/Cas9系统经过一系列改造后已成为继锌指核酸酶ZFNs和TALENs后的新型高效定点编辑的新技术,目前,该技术已成功应用于人类细胞、斑马鱼、小鼠以及细菌的基因组精确编辑,但是该技术在农作物等植物中的应用还比较受限,且其脱靶效应等问题还有待解决。本文首先简要综述了CRISPR/Cas9系统的发展历程、结构组成和作用机制及其在农作物中的应用,进而综述了近年来探索出的提高CRISPR/Cas9系统靶向编辑效率的方法。最后,对基因组编辑技术在农作物和作物育种上的应用进行了展望。

利用CRISPR/Cas9系统快速建立APPswe/PS1dE9双转基因阿尔茨海默病小鼠模型

目的利用CRISPR/Cas9系统构建APPswe/PS1dE9双转基因阿尔茨海默病(AD)小鼠模型,为开展AD的病因治疗提供载体。方法采用CRISPR/Cas9系统,选择H11作为插入位点,将有活性的sgRNA、Cas9 RNA和含有目标同源重组序列的载体显微注射入C57BL/6品系野生雌性小鼠的受精卵中,鉴定得到的F0代阳性小鼠再与C57BL/6野生小鼠交配,从而获得F1代小鼠。对鉴定得到的F1代杂合子小鼠,选择来自同一只F0代小鼠基因型一致的F1代杂合子小鼠,达到性成熟后进行同胞交配,获得F2代小鼠。采用PCR方法鉴定F2代小鼠的基因型结果,采用Western blot检测APP和PS1在F2代小鼠脑组织中的蛋白表达水平。结果27只F2代小鼠经PCR鉴定基因型,5只F2代小鼠出现约344 bp和608 bp的目的基因条带,表明成功构建出转入APP和PS1基因的APPswe/PS1dE9双转基因AD小鼠。Western blot检测显示APPswe/PS1dE9双转基因AD小鼠的APP和PS1的表达水平均明显高于同窝野生型小鼠。结论利用CRISPR/Cas9系统可成功构建APPswe/PS1dE9双转基因AD小鼠。

利用CRISPR/Cas9系统对林烟草基因编辑的研究

本研究以野生林烟草(Nicotiana sylvestris)为研究材料,进行基于CRISPR/Cas9系统的基因编辑的研究。本文以林烟草无菌苗叶片为外植体,利用农杆菌介导的叶盘法将真核表达载体pBI121-EGFP转化至林烟草中,获得可发绿色荧光的转基因植株;然后构建含有GEP基因guide序列的CRISPR/Cas9基因敲除载体,并以pBI121-EGFP转基因植株叶片为外植体,进行农杆菌介导的遗传转化,经检测发现已成功将绿色荧光敲除,从而构建了利用CRISPR/Cas9系统对林烟草的基因进行编辑的系统,为烟草中基因功能研究平台的建立提供了技术基础。

用CRISPR/Cas9系统消除潜伏的HIV前病毒基因组及其感染细胞的研究进展

艾滋病在全球采用联合抗逆转录病毒治疗后发病率及死亡率呈持续下降趋势,使之成为一种可管理的慢性传染病。但因受各种因素制约,艾滋病仍然是全球一个重要公共卫生问题。HIV/AIDS持续存在的主要原因是现有的治疗无法清除人体中存在的HIV潜伏库,由于这种库的存在,HIV/AIDS患者必须终生使用抗病毒药物来抑制病毒复制和反弹。成簇规律间隔短回文重复序列和相关核酸酶Cas9(CRISPR/Cas9)系统几年前以一种简单、快速及易操作的基因编辑技术问世,多项研究表明其在HIV感染的细胞和在动物模型实验中具有消除或破坏HIV储存库或HIV感染细胞的潜力,可能由此产生治愈HIV/AIDS的方法。本文分析了CRISPR/CAS9系统应用于消除潜伏HIV的结果,并对可能产生的问题和趋势进行了讨论。

CRISPR/Cas9系统及其在家蚕基因组编辑中的应用

CRISPR/Cas9系统源于细菌获得性免疫系统,是一项可对多个物种的基因组进行高效率编辑的技术,已被广泛用于RNA靶向的基因组定向编辑。本文简要介绍了CRISPR/Cas9系统的基本作用原理和技术改进的进展,重点介绍了CRISPR/Cas9系统在家蚕功能基因研究和定向遗传改造研究中的应用及成果,并展望了该项技术在家蚕基因组编辑中应用的前景和主要的发展方向。

基于CRISPR/Cas9系统的人成神经瘤SK-N-SH细胞CAPNS1基因的靶向敲除

利用CRISPR/Cas9技术靶向构建CAPNS1基因敲除人成神经瘤细胞SK-N-SH细胞系。在NCBI数据库查找人CAPNS1基因,获得该基因CDS区,根据CRISPR/Cas9敲除靶位点设计原则即g RNA设计原则,设计3条sg RNAs,以p GK1.1为载体,构建人CAPNS1基因敲除载体,并运用共转染的方法转染到SK-N-SH细胞,构建CAPNS1基因敲除SK-N-SH细胞系。结果发现,菌落PCR筛选均能扩增出100 bp大小的片段,单克隆为阳性,DNA测序显示sg RNA序列正确插入质粒,序列比对结果正确;质粒转染SK-N-SH细胞后,制备单克隆,CruiserTMEnzyme酶切后疑似为阳性克隆,进一步的单克隆测序结果显示CAPNS1基因敲除SK-N-SH细胞系构建成功;此外,在CAPNS1-/-组,CAPNS1蛋白及calpain1和calpain2蛋白水平明显降低。以上结果表明CAPNS1基因敲除SK-N-SH细胞系构建成功。

CRISPR/Cas9系统介导小鼠MSTN基因定点修饰研究

利用CRISPR/Cas9系统突变小鼠Myostatin基因,为制备MSTN基因修饰猪奠定了理论和实践基础。结果表明,成功构建了CRISPR/Cas9定点敲除技术平台,并获得MSTN基因发生缺失突变的小鼠模型。

基于CRISPR/Cas9系统对乳酸乳球菌进行绿色荧光蛋白标记

乳酸乳球菌是治疗剂在体内运送的良好载体,研究其在体内的真实运送情况需对其进行标记。该实验利用CRISPR/Cas9系统对乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)NZ9000进行增强型绿色荧光蛋白(enhanced green fluorescent protein, eGFP)标记,用于研究乳酸乳球菌在体内的运送,评价其作为益生菌的功能。基于该实验室已构建的乳酸乳球菌CRISPR/Cas9编辑质粒pLL25构建重组质粒pYSH,其上携带eGFP及同源臂,电转入乳酸乳球菌NZ9000感受态细胞中,将基因组中的乳酸脱氢酶基因(ldh)替换为绿色荧光蛋白基因,从而使Lactococcus lactis NZ9000获得标记,表达绿色荧光蛋白。对绿色荧光标记的Lactococcus lactis NZ9000突变株,酶标仪定量分析eGFP的表达强度。荧光强度定量分析结果表明,在乳酸乳球菌不同生长阶段,eGFP基因均能稳定表达。

CRISPR/Cas9系统编辑水稻Wx基因

【目的】直链淀粉含量与稻米品质密切相关。Wx基因是控制水稻直链淀粉合成的主效基因,通过对Wx基因定点编辑以获得稳定遗传、直链淀粉含量适宜的突变体。【方法】构建CRISPR/Cas9表达载体p GK03-Wx-g RNA(靶点1和2分别在Wx基因第1和第2外显子),利用工程菌EHA105遗传转化超级稻楚粳27,潮霉素筛选获得转化株系,对转化株系及其后代进行分子检测、测序、基因表达和遗传稳定性分析以及直链淀粉含量测定。【结果】获得9个独立的T_0代转化株系,靶点1(L1~L5)5个株系,突变频率100%,靶点2(L6~L9)4个株系,突变频率75%。由T_0代突变体衍生出T_1和T_2代株系,测序发现T_0、T_1和T_2代株系出现缺失(单、双、多碱基缺失)和单碱基插入两种突变类型;T_0至T_1代部分株系(L1、L2、L3和L6)发生再编辑,T_1至T_2代遗传稳定。与野生型相比,突变株系RNA水平Wx基因表达量显著下降(P<0.01),稻米直链淀粉含量显著降低(P<0.01),从17.5%降到1.93%。【结论】利用CRISPR/Cas9系统成功编辑水稻Wx基因,获得了稳定遗传、低直链淀粉含量的突变体,为稻米品质改良提供了材料。

利用CRISPR/Cas9系统编辑银腺杨84K LAZY基因

LAZY1基因隶属于IGT基因家族,与植物分枝角度调控相关。为敲除84K杨中的LAZY1基因,获得转基因株系开展功能研究,以银腺杨84K为材料,克隆84K杨LAZY1基因的3个同源基因,设计基因编辑靶点,构建CRISPR/Cas9基因编辑载体,运用农杆菌介导法转化84K杨并成功获得13个基因编辑株系,经测序分析发现,有3个转基因株系的靶标位点发生碱基缺失或插入,表明这3个株系基因编辑成功,编辑效率为23.07%。本研究结果丰富了IGT基因家族的功能研究,为IGT基因家族的分子育种应用和研究奠定了基础,为CRISPR/Cas9系统在银腺杨84K中的应用做出了初步探索。