新一代基因组编辑技术在人类疾病动物模型中的应用

基因编辑是一项对基因组进行定点修饰的新技术。基因编辑主要通过对目的基因的改造,达到未知功能基因研究和疾病治疗的目的。近年来,人工核酸酶介导的锌指核酸酶(ZFNs)、转录激活因子样效应物核酸酶(TALENs)及RNA引导的CRISPR-Cas核酸酶(CRISPR-Cas RGNs)等新一代基因组编辑技术的兴起极大地推进了基因功能研究的进展,并在构建人类疾病动物模型以及探索新型疾病治疗方案方面有着重要的意义。本文就这3种基因编辑技术及其在人类疾病动物模型研究中的应用作一介绍。     

基因组编辑植物的监管与检测技术

 基因组编辑技术是利用人工核酸酶对生物体目标基因序列进行修饰的技术。近年来,以CRISPR/Cas系统为代表的基因组编辑技术由于高效、简单的操作发展迅速,为研究动植物基因功能、疾病治疗、植物分子育种等方面提供重要的方法。同时,由于基因编辑产品的不断出现,为政府监管提出了更高的要求。通过介绍植物基因组编辑技术及其产品的种类,重点说明了主要国家、经济体在植物基因组编辑产品的安全监管的异同,概述了科学界对基因编辑作物的基本原则,并介绍了几种植物基因组编辑产品的检测方法。     

心血管疾病的基因治疗

基因治疗在先天遗传性以及后天获得性心血管疾病治疗中均具有广阔的发展前景. 对心血管疾病致病机理的深入认识和疾病基因组学研究的发展, 进一步促进了临床前基因治疗的研究进展. 但基因治疗过程中存在的机体细胞免疫反应、外源基因表达水平不足、在体基因转导效率低下等因素都成为基因治疗临床应用转化的瓶颈. 近年来, 基因导入载体和基因组编辑技术的发展为上述问题的改善和解决提供了新的思路. 目前成族规律间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR)/Cas9 基因组编辑技术已经成功应用于动物模型的在体基因编辑, 达到了显著改善血脂指标的疗效. 进一步研究体内组织特异和高效的基因导入方式, 提高基因编辑的靶向效率和特异性, 并建立全面有效的安全评估实验体系, 将推动基因治疗向临床应用的转化. 针对心血管疾病基因治疗中基因导入载体的研究以及CRISPR/Cas9 基因组编辑技术的应用展开讨论.     

人工核酸酶介导的基因靶向修饰技术

基因组靶向修饰技术是基因组改造和基因研究的重要手段,而人工核酸酶介导的基因修饰技术很大程度上提高了基因组靶向修饰的有效性、高效性和特异性,其主要工作原理是造成特异性的DNA双链断裂(DSB)诱导细胞内DNA修复,从而造成自发突变或引入人为变化,完成基因的敲入或者敲除.人工核酸酶基因修饰技术,包括了锌指核酸酶(ZFN)技术、类转录激活因子效应物核酸酶(TALEN)技术以及CRISPR-Cas系统,它们的分子作用机制、系统构建以及效用有一定的不同.对3种基因修饰技术的原理、研究进展和应用进行系统的阐述.通过利用人工基因修饰技术,能够精确、高效地对特定的基因实现编辑和修饰,以期在基因工程领域得到广泛的应用.     

锌指核酸酶技术最新进展及其在植物基因工程中的应用

锌指核酸酶(zinc finger nucleases,ZFNs)是近年来发展起来的一项定点改变基因组序列的新技术.它能够特异切开基因组中的特定序列,产生双链断裂DNA,诱导细胞启动DNA损伤修复过程,在修复过程中实现对靶基因的敲除或改变.这一技术可以通过删除某一基因或一个基因的一部分、导入点突变等,对该基因的功能进行研究,也可以定向改变基因组序列,使生物体获得新的功能.这项技术在基因功能的研究和新药的研发、新品种选育等方面有着十分广阔的应用前景,是后基因组时代基因功能研究的重要手段.介绍了ZFNs工作原理,重点阐述了该技术近几年的最新进展及其在植物学领域的应用,同时也对ZFNs存在的问题进行了深入分析.     

基因编辑技术原理及其在动植物研究中的应用

自人类基因组计划开展以来,越来越多生物的基因组序列得到了测定,基因的功能逐步得到鉴定.人们期望通过对基因表达的改变,来治疗人类疾病或提高生物的产量和品质.早期突变技术对基因的改变是不定向的,近年来,锌指核酸酶(ZFN)、转录激活子样效应因子核酸酶(TALEN)和CRISPR/Cas9等技术可对某个已知基因进行编辑.特别是CRISPR/Cas9技术,由于具有操作方便、效率高等优点,因此成为对基因进行定向操作的强有力工具.本文对几种基因编辑技术的原理和应用进行简要介绍和展望.     

基因编辑：生命科学领域热点发展方向

<正>基因编辑,又称基因组编辑或基因组工程,是一种新兴的、比较精确的能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的基因工程技术。2020年诺贝尔奖化学奖颁给了来自加州大学伯克利分校和德国马普感染生物学研究所的两位科学家,以表彰她们发明了“CRISPR-Cas9”基因编辑工具,基因编辑领域再次成为研究的热点。     

敬畏与审慎——谈谈人类胚胎基因组编辑技术

 2015年生命科学领域里最热门的话题自然是基因组编辑技术,尤其是被科学家称为“基因手术刀”的CRISPR（Clustered regularly interspersedshort palindromic repeats）基因组编辑技术。CRISPR的意思是规律成簇的、间隔短回文重复序列,源自于古细菌及细菌中的后天免疫系统,能帮助细菌有效抵抗病毒等入侵者造成的损伤。当重复序列与入侵病毒“遭遇”时,细菌就会产生一段与病毒序列相匹配的RNA,它被称为“向导RNA”,能够同负责切割DNA的Cas酶结合在一起,二者的职责就是发现并“隔离”病毒序列,从而阻断病毒复制。在细菌这套“防御”系统的基础上,科学家发展出一种新技术即CRISPR基因组编辑技术--通过“修饰”Cas酶与“向导RNA”,促使二者的联合体与他们想要在细胞基因组里“剔除”的某一DNA相匹配,从而“诱导”DNA进行修复。该技术是一种能够对基因组进行精确编辑的分子生物学利器,如同我们可以在电脑上对WORD文档中的文字按照我们的需要进行编辑一样。由于CRISPR基因组编辑技术不受物种限制,因此科学家已经成功在许多动植物中实现了基因编辑。从2012年开始,已有科学家将该技术应用于成人体细胞基因组中,从而为阻断遗传病延续以及治疗基因缺陷疾病打开了通道。至2013年初,有关编辑人类干细胞基因组技术方面的论文开始陆续问世,我国科学家也积极投入到相关研究中。     

我国水稻分子育种研究进展

分子标记辅助选择育种和转基因育种是水稻分子育种的主要内容,同时基因编辑技术的发展为水稻分子育种注入新的活力.从产量、品质、抗逆等方面阐述了水稻分子育种的生物学基础,综述了我国近几年水稻分子育种研究成果以及基因组编辑技术在水稻分子育种上的应用进展.     

CRISPR技术的研究进展和应用

由于 CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)系统具有多功能基因编辑工具,研究人员能更精确、简便地编辑特定基因组元件.CRISPR技术可对特定位点的DN A或RN A序列进行识别和切割.由于DNA链断裂会启动细胞修复程序,结合CR...     

地芽孢杆菌(Geobacillus)YHL的全基因组测序及序列分析

该文采用Illumina 高通量测序技术对地芽孢杆菌(Geobacillus sp. YHL)进行全基因组测序,使用Velet软件进行组装,利用Glimmer软件对菌株进行基因预测,得到的蛋白质通过与COG、KEGG等数据库进行比对来获得相应的注释信息.利用多种绘图工具对注释信息进行汇总及分析,获得了COG、KEGG等多种基础注释信息,对这些信息进行挖掘分析,研究结果发现:该菌株具有多种编码酶基因,包括糖苷水解酶、葡糖苷酶、木聚糖酶、淀粉酶、新普鲁兰酶、支链淀粉酶和脂肪酶,是一种嗜热的多酶编码菌,有一定的应用潜力.重点关注了在基因组中编码热应激蛋白基因,这些基因信息最终可以提供关于细菌的热适应机制的初步解释.     

基因组编辑技术——CRISPR/Cas系统

基因定点编辑技术包括基于胚胎干细胞及同源基因片段重组的基因打靶技术、锌指结构(ZFN)、类转录激活因子效应物(TALEN)以及CRISPR/Cas系统,CRISPR/Cas系统具有操作简单、突变率高、成本低,同时可针对多个基因等优点;该技术可进行定点修饰,如敲除、插入、替换等.目前CRISPR/Cas系统已成功应用到小鼠、人类细胞、线虫、果蝇、斑马鱼、拟南芥、水稻和猴等.文章将对基因修饰技术发展脉络做统一梳理,并将系统阐述CRISPR/Cas系统的原理、应用以及该技术的优缺点.     

基于Hadoop的重叠基因对数量的计算方法

基因组间的相似性可以通过重叠基因对的数量进行度量,基因组数据量的指数增长对重叠基因对数量的计算方法提出了更高的要求,业界迫切需要一种能够处理各种数量级别的基因数据库和待查询基因组的计算工具.本文提出一种基于Hadoop的重叠基因对数量的计算方法——DBits.在较小的数据集上,DBits的计算时间少于业界最常用的方法BITS,而在BITS无法处理的海量数据集上,DBits可以进行有效计算.DBits充分发挥分布式计算在大数据处理中的优势,可用于对数据量较大的基因组进行分析,有效地解决了现有技术中存在的重叠基因对数量计算难的问题.     

CRISPR/Cas技术在木本植物改良中的应用

木本植物育种周期长、种质资源匮乏,已成为限制木本植物种质创新的主要因素。CRISPR/Cas系统是近年来发展起来的能够实现对基因组进行精准定点编辑的技术,具有操作简单、周期短、效率高等优点,可实现基因的敲除、插入、替换等目的,从而精确地引入目标性状。目前,该技术已在多种家畜、昆虫、作物中得到了成功应用,对大量性状进行了改良,实现了种质资源的原始创新,大大缩短了育种年限。CRISPR/Cas技术的产生为木本植物的遗传改良提供了契机。笔者对CRISPR/Cas技术在杨树(Populus spp.)、苹果(Malus spp.)、柑橘(Citrus spp.)、葡萄(Vitis vinifera)、木薯(Cassava spp.)等木本植物育种中的应用进行了总结,该技术实现了T0代木本植物优良基因型的固定,在生长、材性、抗病性、抗旱性等性状上得到了明显改善,加快了木本植物育种进程,提高了育种效率。但该技术在木本植物中的应用尚处于起步阶段,还存在脱靶率高、编辑效率低、纯合突变少等问题。基于此,对CRISPR/Cas技术在木本植物中的应用前景进行了展望,以期为木本植物基因功能研究及品种改良提供有益参考。     

CRISPR-Cas9系统定向编辑TCR基因的sgRNA筛选

为构建靶向T细胞抗原受体(T Cell Receptor,TCR)基因的CRISPR-Cas9基因组编辑系统,基于p X458质粒构建靶向TCR基因β链C区的CRISPR-Cas-sgRNA质粒,将其转染Hep G2细胞系,用流式细胞术检测转染效率;转染48 h后提取Hep G2细胞基因组DNA,扩增含有编辑位点的片段,测序分析该片段的峰图改变;对出现双峰的扩增片段做T-A克隆后测序分析,确定基因编辑发生的位置,并结合转染效率计算基因编辑效率.结果表明,成功构建含有3种sgRNA序列(N1、N2、S1)的p X458-sgRNA质粒,其转染效率分别为38.5%(N1)、39.7%(N2)和24.2%(S1);基因组PCR产物测序分析发现,S1组扩增片段在打靶位置出现杂峰;T-A克隆测序发现,20克隆有4个发生了基因编辑(20%),结合转染效率(24.2%)可知,编辑效率约为83%.可见,本文成功构建靶向TCR基因的CRISPR-CassgRNA质粒,并鉴定出基因编辑效率较高的一种sgRNA序列.     

NgAgo 实验结果引质疑新一代基因编辑工具尚需检验

 2016年7月29日,来自澳大利亚、美国、西班牙等国的多位科学家公开表示,无法重复NgAgo 系统的基因组编辑结果。早在今年5月2日,河北科技大学副教授韩春雨在《自然·生物技术》杂志上在线发表了一篇题为《NgAgo DNA 单链引导的基因编辑工具》的论文,NgAgo曾一度被认为是一种新的基因编辑工具,甚至有人提出其有潜力取代目前的CRISPR,成为第4 代基因编辑技术。如同当初论文发表时那样,如今对NgAgo实验结果的质疑,也引起了中外科学界同样的关注。     

植物差异表达基因克隆技术及研究进展

随着分子生物学技术的深入发展,植物基因组研究已经由以全基因组测序为目标的结构基因组学转向以基因功能鉴定为目标的功能基因组学研究,目前分离并克隆差异表达基因已成为生命科学研究的热点.近些年来,国内外学者发展了多种分析差异表达基因的技术来研究植物在不同发育阶段、不同生理状态下的基因表达状况,掌握了生命活动过程中的重要信息.文章对建立在RNA水平上克隆植物未知差异表达基因的几种关键技术及其研究进展进行了综述,阐述了各技术的原理、技术路线、优缺点及相应的改进方法,并对它们在植物抗逆研究中的应用现状及前景作了展望.     

菠菜叶绿体基因组定点整合表达载体构建及原核表达

分析菠菜叶绿体基因组全序列,选用了rbcL基因和accD基因的间隔区作为外源基因的定点整合位点,并从菠菜叶绿体基因组中克隆了rbcL基因全长和accD基因的5′端部分,长度分别为1956 bp和1320 bp。以这2个DNA片段作为同源重组片段,以烟草叶绿体基因的启动子Prrn和终止子psbA3′控制外源基因的转录,构建了包含筛选标记基因aadA基因(编码氨基糖苷-3′-腺苷酸转移酶,具有壮观霉素和链霉素抗性)和报告基因GFP(编码绿色荧光蛋白)的菠菜叶绿体基因组定点整合表达载体pRAGA。酶切结果显示构建正确。将该载体转化大肠杆菌,在激光扫描共聚焦显微镜下用488 nm蓝光激发,发现大肠杆菌发出强烈的绿色荧光,而对照菌体没有荧光,表明GFP基因在原核大肠杆菌中已经成功表达。实验结果说明构建的菠菜叶绿体定点整合表达载体pRAGA可以用于菠菜叶绿体转化。     

gRNA二级结构对拟南芥HD2基因CRISPR/Cas9编辑率的影响

近年来,利用基因编辑工具编辑特定基因逐渐成为一种获得突变体的主要方法。CRISPR/Cas9编辑技术是目前最新和最高效的基因编辑技术。然而,这一技术在植物中的编辑率受到很多因素的影响,例如如何设计gRNA以及如何避免脱靶效应等。为了探究gRNA的二级结构对拟南芥基因编辑的影响,我们选择了拟南芥基因组中的组蛋白去乙酰化酶(HDACs)基因家族中一个植物特有的亚家族(HD2)为靶基因,通过设计这一亚家族中3个HD2基因不同的CRISPR/Cas9靶点,观察不同gRNA接头二级结构对CIRSPR/Cas9编辑率的影响。结果显示：不同gRNA接头二级结构对基因的编辑率会有一定的影响,当二级结构由一段单链RNA、5个茎环、2个突环和3个发夹环组成的时候,编辑率最高。该研究可为后续人们使用以tRNA为策略设计gRNA的CRISPR/Cas9工具时选择合适的靶点,为提高基因编辑率提供基础。     

外显子组测序技术述评

外显子组测序主要包括3个步骤:目标序列的富集、DNA测序、生物信息学分析。笔者介绍了外显子组测序技术及其在遗传研究中的应用,分析了该技术的优势和不足,并对其应用前景进行了展望。与转录组和全基因组测序技术相比,外显子组测序在编码基因获取方面具有高效、准确、低成本的特点; 与全基因组关联分析技术(Genome-wide association analysis, GWAS)相比,能有效检测基因组中编码基因的稀有变异,但还不能检测到基因组水平上较大的结构性变异以及内含子区域的信息。目前,外显子组测序技术在人类单基因控制的遗传疾病和多基因控制的复杂疾病的分子机理研究中,能准确找到孟德尔遗传疾病致病基因; 在动植物上能成功检测到目标编码区的核苷酸变化。随着模式木本植物全基因组测序的完成,利用该技术可以加快对木本植物性别、林木抗逆性及生长等重要性状基因的定位,应用前景广阔。