CRISPR/Cas工具的开发和应用

CRISPR/Cas系统是细菌、古菌抵抗外源DNA或RNA入侵的免疫系统,细菌和古菌通过crRNA和Cas蛋白识别靶标DNA或RNA,并切割这些外源入侵核酸.目前, CRISPR/Cas系统已广泛应用于基因编辑领域,多种Cas蛋白的发现扩宽了CRISPR/Cas编辑基因的范围.如Cas9和Cas12可在基因组上靶向插入或删除DNA序列; Cas13和RCas9可靶向切割RNA.另外,多种Cas衍生工具的开发让CRISPR/Cas系统发挥更多的功能.如基因编辑方面,通过base editor可进行DNA单碱基编辑,通过prime editor可进行DNA单碱基编辑和小片段插入缺失;如基因表达调控方面,通过CRISPRa和CRISPRi可以激活或抑制基因RNA表达.同时, CRISPR/Cas系统还广泛应用于功能基因遗传筛选、基因检测、活体成像、细胞谱系示踪等多个领域.随着CRISPR/Cas基因编辑工具的不断开发,将不断促进科学研究进展,并有望通过CRISPR/Cas介导的基因治疗为患者带来福音.     

CRISPR/Cas介导的非转基因植物基因组编辑

CRISPR/Cas介导的基因编辑系统已成为生命科学研究领域不可或缺的工具,在植物基因组编辑方面也应用广泛.传统的CRISPR/Cas编辑系统仍依赖于外源DNA整合于宿主植物的基因组,属于传统转基因的范畴.由于公众对转基因作物安全性的担心,很多国家制定了针对转基因植物的严格监管政策,使相关产品的应用受到了极大的限制.如何在改造植物性状的同时,消除外源基因插入的影响是科学家们要解决的重要问题.近年来,利用CRISPR系统创制DNA-free的植物基因编辑产品的技术应运而生,得到了学术界的高度关注.利用该系统在引发目的基因突变的同时,没有外源DNA片段插入到植物基因组中,因此可有效减低监管风险,推动基因编辑作物的产业化应用推广.本文对目前基于CRISPR/Cas系统进行DNA-free的植物基因编辑的研究进展进行了总结归纳,包括DNA-free基因编辑技术的方法、在植物育种上的应用及前景展望等方面,同时分析了目前该技术所存在的问题并提出改进建议.本文将对这一领域的研究工作提供参考.     

利用CRISPR/Cas9基因编辑技术治疗β-地中海贫血的最新进展

地中海贫血是β-珠蛋白基因(HBB)点突变或缺失引起的单基因遗传病,患者产生溶血性贫血,其生存主要依赖于反复输血及去铁治疗,最终导致多器官受损、衰竭,给个人、家庭和国家带来严重的经济负担.随着基因编辑技术的蓬勃发展,可能治愈基因突变性疾病的基因治疗应运而生,其中CRISPR/Cas9基因编辑技术凭其靶向特异性、经济性等优势备受关注,并已广泛应用于分子生物学以及生命科学领域的研究.如今CRISPR/Cas9基因编辑技术修复人多能干细胞HBB基因、诱导胎儿血红蛋白(HbF)合成或抑制α-珠蛋白基因(HBA基因)表达是治愈β-地中海贫血的三大可行性策略,相关临床试验已相继开展.本文就CRISPR/Cas9系统的研究进展、作用机制以及在治疗β-地中海贫血的最新研究与应用进行综述,涉及细胞实验、动物模型、临床试验等内容,并介绍了CRISPR/Cas9系统衍生的新型基因编辑工具碱基编辑器在该领域的研究应用,为促进β-地中海贫血从基础研究转向临床治疗提供新的思路和方向.     

基因编辑技术何去何从

正各种咨询机构、科技组织和资助机构都十分关注人类基因组编辑,医学及伦理学研究者黛布拉·马修斯(Debra J.H.Mathews)、罗宾·洛弗尔·巴杰(Robin Lovell-Badge)及同行们对此提出了一些需要重点考虑的问题。基因编辑工具CRISPR/Cas9的易用、准确和高效性使其在研究中得到广泛使用,而且在农业和涉及非生殖细胞(体细胞)的基因疗法中也有了初步的应用。CRISPR/Cas9及相关技术也可使用在某些     

严谨实验结果现真知——中国学者成功解开基因编辑脱靶疑团

基因编辑技术在修复致病突变与种质改良方面都有重要的发展前景,被广泛使用于基础与应用研究中。该技术的真实脱靶率一直存在争议,严重阻碍了其发展。2019年3月,杨辉、高彩霞分别领导的两项研究终于揭示了脱靶的奥秘,其成果同时在《Science》发表。在小鼠与水稻中的研究一致发现:胞嘧啶编辑器会造成严重的点突变,而腺嘌呤编辑器与经典的CRISPR/Cas9技术没有明显的脱靶效应。文章综述了脱靶的疑团为何长期未解,最新研究是如何通过构建严谨的实验对照实现了精密的脱靶检测并得到严谨的数据与结论,同时初步讨论了在风险未能排除之前,人类必须谨慎开展人体临床试验。     

对话周琪:华盛顿共识

正基因编辑技术的飞速发展,特别是近年来CRISPR技术的广泛应用,使得人类拥有了前所未有的改变和修饰基因组的能力.CRISPR技术来源于细菌本身对抗噬菌体的"免疫系统".这项技术利用单链引导RNA(sgRNA)和Cas9蛋白,可以在体内和体外简单、迅速、低成本实现基因编辑.2012年以来,CRISPR技术已经广泛地被全球应用于各个实验室,进行几     

CRISPR/Cas9基因编辑技术在脑科学中的应用策略

基因编辑是对生物体基因组的目标基因进行精确切割、插入等操作.CRISPR/Cas9技术是基于向导RNA识别DNA靶序列,Cas9蛋白作为核酸酶切割DNA靶点来实现基因编辑.该技术自2012年报道以来已被不断改进,因具有普适、高效、简便等优点,迅速成为现阶段应用最广的基因编辑技术.在脑科学领域,CRISPR/Cas9技术不仅可应用于离体神经细胞,也可以在受精卵期、胚胎期或成年期应用;应用目的涉及脑基因与功能研究、基因敲除/敲入小鼠模型的构建、某些疾病的实验性治疗等.尤其是在一些遗传性疾病如视网膜色素变性、亨廷顿病的动物模型上,CRISPR/Cas9方法已经初步展示了令人鼓舞的治疗效果.未来,该技术将会在精确编辑效率与可控性方面有进一步提升,并可能在脑定向导入方法、脑神经环路解析等专业应用环节获得显著的发展.     

多重靶向纳米递送系统为CRISPR/Cas9体内编辑提供输运工具

<正>CRISPR/Cas9系统是近年来发展起来的一组强大的基因编辑工具.CRISPR/Cas9系统可以对哺乳动物细胞进行基因编辑~([1]).CRISPR/Cas9由两部分构成,一部分是可以对DNA序列进行酶切的Cas9内切核酸酶,它可以引起靶标DNA的双链断裂;另一部分为引导RNA(guide RNA,gRNA),它可以特异性识别并结合DNA靶序列.在gRNA     

微调可使CRISPR准确度提高50倍

<正>CRISPR可能是首个有望颠覆天然基因组、消除遗传疾病的基因编辑成果。但从一开始,就有一道难题摆在面前:准确性。早在2017年,一份报告因使用CRISPR技术而充满争议:因为在小鼠身上发现了大量脱靶的编辑,基因编辑工具肆意地剪切了无辜的基因。这项研究遭到了强烈的驳斥,并最终被撤回,但人们对这种强大工具的脱靶问题的担忧并没有消失。即使相对准确的CRISPR替代版本,最近也因为其在DNA和     

以大肠杆菌为参照基因组的比较基因组学系统的建立

随着人类基因组计划及其他测序工作的顺利进行, 人们已经得到了大量的基因序列. 阐明这些序列的功能和意义成为功能基因组学的主要任务. 我们以大肠杆菌E. coli为参照基因组, 利用已公开基因组数据的24种古细菌和真细菌蛋白质序列(可从ftp://ncbi. nlm.nih.gov/genbank/genomes/bacteria 下载), 建立了一个基于互联网的可查询的比较基因组学研究平台(http://202.116.74.121:8080/database.htm). 该平台可用于研究同源基因在古细菌、真细菌中的分布、进化, 以及进行功能预测, 也可以查询对各种属特异的基因, 是对NCBI的COGs系统的一个…     

超越CRISPR的新型基因编辑技术RLR

正细菌与噬菌体之间的军备竞赛导致细菌发展出了精妙的防御系统,近年来生命科学领域最大突破之CRISPR基因编辑技术,正是从细菌的防御系统发展而来。实际上,细菌除了CRISPR之外,还有其他防御系统。2020年11月5日,以色列维茨曼研究所的罗特姆·索雷克(Rotem Sorek)团队在《细胞》(Cell)上发表论文证实一种名为反转录子(Retron)的细菌的遗传元件同样也是细菌抵抗噬菌体的防御系统。那么,反转录子能否像CRISPR一样,被开发成强大的基因编辑工具呢?     

CRISPR基因编辑技术因何受关注

正2007年,一家酸奶公司发现了一种出人意料的细菌防御病毒入侵的机制,CRISPR由此孕育并于2012年真正问世。如今,CRISPR已经成为一个分子奇迹,不只是生物学家,全世界很多人都在关注荣登《科学》杂志2015年度科学突破榜首的CRISPR基因编辑技术。CRISPR此前曾在2012年和2013年两度入选《科学》杂志年度十大科学突破榜单,不过每次都与其他基因编辑技术一起打包当选亚军,而今年     

CRISPR-Cas9技术发展史:25年的科学历程

CRISPR-Cas是一种重要的原核生物获得性免疫系统。CRISPR序列可转录并加工为非编码RNA——cr RNA,而Cas利用其DNA核酸外切酶完成RNA介导的靶DNA剪切,从而抵御噬菌体和质粒等DNA的入侵。在这一系统基础上改进并发明目前生命科学领域广泛应用的CRISPR-Cas9基因编辑技术。通过对CRISPR序列发现、结构命名、功能预测、实验证实、机制研究和系统改进等的描述,以期能对CRISPR-Cas9技术的诞生过程有一个全面的了解。     

人工创制植物无融合生殖的研究进展

无融合生殖(apomixis)是指植物绕过正常减数分裂与受精过程形成克隆种子的一种无性生殖方式.无融合生殖具有固定杂种优势的潜力,长期以来一直是研究的热点.但是,由于其形成机制复杂一直未能取得突破.在深入研究植物有性生殖机制的基础上,通过人工设计创制无融合生殖有望成为实现杂种优势固定的一个可能途径.研究发现,同步突变多个减数分裂关键基因可以将减数分裂过程转换为类似有丝分裂过程,产生与母本遗传背景完全一致的克隆配子(mitosis instead of meiosis, Mi Me);在Mi Me背景下引入特殊的基因组消除系或编辑诱导孤雌生殖的关键基因能够成功实现无融合生殖.本文对无融合生殖技术的研究进展进行了总结,并对今后无融合生殖技术的改良以及将其在作物育种中的应用进行了讨论.     

对话基因编辑

正新科技的公众传播需要科学家、记者和慈善家的倾力相助。詹妮弗·杜德纳是CRISPR/Cas9基因编辑技术的共同发明人。在2015年伦敦举行的TED全球演讲中,她呼吁进行基因编辑的全球对话2014年的一个深夜,加州大学伯克利分校生化学家詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)从噩梦中惊醒。正是这个噩梦,让她不再只专注于手中尖端的科学研究,而将注意力投向了更广阔的世界。     

真细菌型的细胞分裂位点决定因子CrMinD基因在衣藻中从叶绿体到核的成功转移

MinD蛋白是一种普遍存在的ATP酶, 在真细菌、古细菌以及植物叶绿体的分裂过程中发挥着关键的作用. 在已研究过的4种绿藻(Mesostigma viride, Nephroselmis olivacea, Chlorella vulgaris, Prototheca wicker-hamii)中, MinD基因均由叶绿体基因组编码. 但在拟南芥中, MinD基因由核基因组编码, 其蛋白定位于叶绿体并参与叶绿体分裂的调控, 说明在高等陆生植物中, MinD基因已经转移到核基因组. 然而, 对于在质体进化过程中MinD基因从叶绿体转移至核的机制还不清楚. 我们从单细胞绿藻(Chlamydomonas reinhardtii, 衣藻)中鉴定了一个核编码的MinD同源物CrMinD, 其在野生型大肠杆菌(E. coli)中的过表达会抑制细胞的分裂并导致丝状细胞的形成, 表明植物MinD蛋白在进化上的保守性. CrMinD-egfp在烟草和拟南芥中的瞬时表达确认了CrMinD蛋白在调节叶绿体分裂中的作用. 在已公布的所有陆生植物质体基因组序列中, 没有发现MinD的同源物, 说明MinD基因从质体转移至核这一事件在进化出陆生植物以前就已经发生了.     

基因编辑技术:一场正在进行的革命——伊曼纽尔·查朋特访谈录

<正>2012年,伊曼纽尔·查朋特(Emmanuelle Charpentier)在研究中与他人共同发现了CRISPRCas9系统:一个正在改变着基因组学、遗传学和基因工程领域的工具。CRISPR-Cas系统是由RNA和蛋白质构成,可以识别入侵病毒DNA并可将其分解(CRISPR表示成簇规则性排列的短回文间隔重复序列,用于描述基因的排列方式)。对于许多细菌和古细菌而言,该系统就相当于一个有效的免疫系统,可以广     

神经退行性疾病动物模型的建立与应用

神经退行性疾病的日益增长对家庭和社会造成沉重的负担,寻找有效的预防和治疗方法,已经成为全球公共卫生的重要议题.动物模型在研究神经退行性疾病中发挥着至关重要的作用,为深入理解这些疾病的病理机制、开发新的诊疗策略提供了基础数据.本文阐述了构建常见神经退行性疾病动物模型的方法,包括阿尔茨海默病、帕金森病和肌萎缩性脊髓侧索硬化症等.这些模型的建立考虑了疾病的遗传背景、病理特征以及进程.传统疾病模型构建方法常常缺乏疾病特异性、表型稳定性和与人类疾病病理进程的一致性.得益于基因修饰技术的发展,如CRISPR/Cas9技术,我们能够更精确地模拟人类神经退行性疾病的病理过程,使得动物模型能够为药物开发和疾病预防策略的探索提供重要工具.本文还探讨了新的动物模型开发进展,这对于深入理解疾病的发病机制、研究环境因素和基因-环境相互作用、筛选新的药物和开发新的治疗策略至关重要.虽然目前的模型还无法完全反映人类疾病的复杂性,我们有理由相信,这些限制将会得到改善,并展望了基因编辑技术可能改变神经退行性疾病研究的未来.     

植物DNA从头甲基化的机制

DNA甲基化是一种常见的表观遗传修饰,与基因的表达调控、转座子的沉默及异染色质的形成等紧密相关. DNA从头甲基化是指在新位点建立甲基化修饰的过程.植物中存在多个DNA从头甲基化通路,主要分为RNA介导的DNA甲基化(RNA-directed DNA methylation, Rd DM)及CMTs(CHROMOMETHYLASEs)参与的从头甲基化.Rd DM通路在非编码RNA的介导下靶向建立甲基化修饰,可调控植物多类生长发育过程.伴随着研究的深入,多条非经典的Rd DM通路得以发现,这些通路在转座子的识别和沉默方面有着重要作用.此外,非模式植物中的研究还对CMT3参与从头甲基化的机理进行了探索.基于DNA从头甲基化机制,最近的研究开发了多种靶向DNA甲基化操控工具,这些工具将推进对DNA甲基化功能的认识,并有望进一步用于遗传操控进行作物改良.本文综述了植物DNA从头甲基化机制的最新研究进展,并针对该机制的应用进行了讨论.     

亨廷顿舞蹈病基因敲入猪培育成功

<正>我国科学家领衔的国际研究团队经过4年努力,首次利用基因编辑技术CRISPR/Cas9和体细胞核移植技术(SCNT),成功培育出世界首例亨廷顿舞蹈病基因敲入猪,精准地模拟出了人类神经退行性疾病。"亨廷顿舞蹈病"是由单基因突变导致的神经退行性疾病,是一个理想的疾病模式,也是研究多基因突变病症的基础。老年痴呆、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症等都属于神经退行性疾病。这些疾病由于缺乏合适的动物模型进行药物筛