基因编辑新技术研究进展

基因编辑是一项旨在对基因组进行定点修饰的新技术,目前主要有人工核酸酶介导的锌指核酸酶(ZFN)技术、转录激活子样效应物核酸酶(TALEN)技术和RNA引导的CRISPR-Cas核酸酶(CRISPR-Cas RGNs)技术。它们都能特异性地识别靶位点,对其单链或双链进行精准切割后,由细胞内源性的修复机制来完成对靶标基因的敲除和替换。本文比较了这3种基因编辑技术,并对其应用进展做了介绍。     

广州：世界首例内源性基因敲除猪诞生

近日,从中科院广州生物医药与健康研究院获悉,该院研究员赖良学研究团队与美国密歇根大学心血管研究中心陈育庆团队合作,首次将锌指核酸酶基因打靶技术应用于猪内源性基因敲除研究,成功敲除了猪内源性PPARγ基因。这项研究在世界上首次建立了PPARγ基因敲除猪模型,对糖尿病和心血管并发症的研究有重要应用价值。     

锌指核酸酶技术在动物转基因中的应用

锌指核酸酶(Zinc finger nuclease,ZFN)具有特异性识别并敲除DNA片段中特定基因的特点,通过对DNA片段上的特定基因进行靶向修饰产生新型细胞,是能够应用于动物转基因上的一种新技术.该技术已在一些动物的研究上取得了一定的成果,相对于传统的转基因技术,该技术在简化操作程序、缩短操作时间及提升成功率上都有很大的提高.就常用的动物转基因方法、锌指核酸酶技术的作用原理以及在动物转基因上的应用及其前景进行了论述.     

锌指核酸酶技术在动物转基因研究中的应用

锌指蛋白核酸酶(Zinc Finger Nuclease,ZFN)是一种人工合成酶,含有锌指蛋白和FokⅠ核酸内切酶的剪切结构域,因其能特异性识别并切割DNA序列及其可设计性而被用基因定点突变和外源基因定点整合。这项技术已应用于转基因动物研究中。本文综述了锌指核酸酶技术在转基因研究中的应用进展,并对锌指核酸酶技术的应用前景进行了展望。     

基因组编辑技术及其检测鉴定方法研究进展

基因编辑技术指能够对目标基因进行编辑,实现对特定DNA片段的敲除、加入等技术。目前,该技术主要包括锌指蛋白系统、转录激活因子样效应核酸酶系统和成簇的规律间隔短回文重复序列系统,基本原理都是通过序列特异性核酸酶特异切割DNA靶位点,产生DNA双链断裂,诱导DNA的损伤修复机制,从而实现对指定基因组的定向编辑。本文概述了3种基因编辑技术的原理,对它们的优缺点进行比较,并阐述了CRISPR基因编辑技术在动物和植物育种中的应用,以及基于CRISPR技术的DNA分子检测新方法的建立和应用。其次,阐述了对CRISPR等基因编辑产品筛选和检测鉴定的方法,比较了几种筛选方法的检测周期、灵敏性、人工成本等。最后,对基因编辑技术的发展前景进行了展望。     

新型基因编辑技术发展及在植物育种中的应用

近年来出现了几种新型基因编辑技术,包括锌指核酸酶(ZFN)、转录激活子样效应因子核酸酶(TALEN)、规律性重复短回文序列簇与Cas9(CRISPR/Cas9)系统。这些基因编辑技术是通过特异性结构识别靶位点,核酸酶发挥切割作用,对靶位点进行定点编辑,由于此类基因编辑技术具有高效准确、制作简单的特点,已被广泛应用到植物基因功能研究和定向改良植物性状方面。在此综述上述3种新型基因编辑技术的原理,比较不同编辑技术的差异,总结在拟南芥、烟草、水稻、玉米等作物育种中的应用,指出基因编辑存在的问题,对这些技术在基础研究及育种实践中的应用进行展望。     

人工锌指蛋白随机库的构建及其在锌指核酸酶筛选中的应用

利用开源式(Oligomerized pool engineering,OPEN)方法筛选具有较高特异性和亲和性的锌指蛋白(Zinc finger protein,ZFP).以已知三锌指蛋白为框架,使单个锌指关键位点氨基酸编码序列产生随机突变,构建3个人工锌指蛋白随机库,建立和完善应用人工锌指蛋白随机库筛选特异性锌指蛋白的技术平台.以人DYRK1A基因为例,测试和验证该技术平台的可行性和效率,分别获得对DYRK1A基因靶序列中左侧和右侧位点具有较高亲和性的50个三锌指蛋白;然后将得到的锌指蛋白与非限制性核酸内切酶FokⅠ连接,构建DYRK1A锌指核酸酶(Zinc finger nucleases,ZFN),应用酵母验证系统测试DYRK1A锌指核酸酶的活性,结果表明,90％的组装锌指核酸酶能够在靶位点进行切割.     

锌指核酸酶及其应用研究进展

锌指核酸酶由锌指和非限制性切割酶两部分组成,锌指能特异性结合基因组双链DNA,非限制性切割酶能造成染色体上双链DNA的断裂,通过机体的修复机制可以使目的基因突变或外源基因插入,进而应用于转基因动物的制备.综述了锌指、切割酶及采用锌指核酸酶制备转基因动物的研究进展,主要包括锌指的发现、结构及与DNA结合时的碱基分布和结合方式,锌指的筛选和设计方法;切割酶的研究进展包括FokⅠ的发现及切割特点,基因修饰后的异源二聚体切割特异性等.     

利用基因编辑技术进行猪异种器官移植及人类疾病模型研究的进展

采用不断发展的基因编辑技术,近年来对猪的基因组改造不仅构建出涵盖心血管疾病、神经退行性疾病、新陈代谢疾病、癌症、免疫缺陷等各方面的人类疾病模型,而且通过对猪进行基因编辑实现了降低异种移植免疫排斥、敲除猪内源性逆转录病毒以及生产嵌合体动物等,使猪异种器官移植的应用更前进了一步。综述梳理基因编辑技术,尤其是CRISPR∕Cas9技术在异种器官移植及人疾病模型构建方面的研究进展。     

Gene therapy for human genetic disease?

In our view, gene therapy may ameliorate some human genetic diseases in the future. For this reason, we believe that research directed at the development of techniques for gene therapy should continue. For the foreseeable future, however, we oppose any further attempts at gene therapy in human patients because (i) our understanding of such basic processes as gene regulation and genetic recombination in human cells is inadequate; (ii) our understanding of the details of the relation between the molecular defect and the disease state is rudimentary for essentially all genetic diseases; and (iii) we have no information on the short-range and long-term side effects of gene therapy. We therefore propose that a sustained effort be made to formulate a complete set of ethicoscientific criteria to guide the development and clinical application of gene therapy techniques. Such an endeavor could go a long way toward ensuring that gene therapy is used in humans only in those instances where it will prove beneficial, and toward preventing its misuse through premature application. Two recent papers have provided new demonstrations of directed genetic modification of mammalian cells. Munyon et al. (44) restored the ability to synthesize the enzyme thymidine kinase to thymidine kinase-deficient mouse cells by infection with ultraviolet-irradiated herpes simplex virus. In their experiments the DNA from herpes simplex virus, which contains a gene coding for thymidine kinase, may have formed a hereditable association with the mouse cells. Merril et al. (45) reported that treatment of fibroblasts from patients with galactosemia with exogenous DNA caused increased activity of a missing enzyme, alpha-D-galactose-l-phosphate uridyltransferase. They also provided some evidence that the change persisted after subculturing the treated cells. If this latter report can be confirmed, the feasibility of directed genetic modification of human cells would be clearly demonstrated, considerably enhancing the technical prospects for gene therapy.     

动物转基因新技术研究进展

 动物转基因技术是将外源基因导入动物体内,外源基因随机整合或定点整合（打靶）在染色体基因组上并得到表达和遗传的生物技术。该技术自发现以来,在畜牧业、医药产业、环境保护以及新型生物材料等领域已得到了广泛应用。本文主要就近年来迅速发展起来的慢病毒载体导入法、精原干细胞法、锌指核酸酶介导的基因打靶、RNA干扰介导的基因沉默等新的高效转基因技术进行了概述。     

Myotonic dystrophy type 2 caused by a CCTG expansion in intron 1 of ZNF9

Myotonic dystrophy (DM), the most common form of muscular dystrophy in adults, can be caused by a mutation on either chromosome 19q13 (DM1) or 3q21 (DM2/PROMM). DM1 is caused by a CTG expansion in the 3' untranslated region of the dystrophia myotonica-protein kinase gene (DMPK). Several mechanisms have been invoked to explain how this mutation, which does not alter the protein-coding portion of a gene, causes the specific constellation of clinical features characteristic of DM. We now report that DM2 is caused by a CCTG expansion (mean approximately 5000 repeats) located in intron 1 of the zinc finger protein 9 (ZNF9) gene. Parallels between these mutations indicate that microsatellite expansions in RNA can be pathogenic and cause the multisystemic features of DM1 and DM2.     

基于SCI论文的作物转基因育种领域发展态势分析

转基因育种技术是作物遗传改良的一个重要技术,通过对作物转基因育种领域的SCI论文进行文献计量学、主题研究领域分析,以期获得作物转基因育种领域主要研究方向、发展态势以及制约其发展的关键技术。结果表明,中国的发文数量排名第一,高达2 956篇,约占发文总量的22.1%,篇均被引频次为7.9次。机构中以中国科学院发文最多,其研究涉及一些理想植物植株模型,抗性、细胞发育、胁迫反应的锌指蛋白功能分析,利用模式植物研究生物代谢、抗病、抗逆性的机制规律等。作物转基因研究涉及最多的前三种作物分别为水稻、玉米、小麦。该结果也为我国作物转基因育种领域科研技术人员准确把握领域内发展趋势和关键科学问题提供参考,为科研管理机构制定作物转基因育种领域扶持政策和确定重点扶持领域提供科学依据。     

猪CFTR基因特异性锌指核酸酶的筛选与鉴定

【目的】获得靶向猪囊性纤维化跨膜传导调节因子(Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator,CFTR)基因的特异锌指核酸酶(Zinc finger nuclease,ZFN),为建立CFTR基因敲除猪细胞系提供技术支持。【方法】通过开源式(Oligomerized pool engineering,OPEN)方法筛选,首先以已知三锌指蛋白为框架,随机突变单个锌指关键位点氨基酸编码序列,建立人工三锌指蛋白随机库;然后应用细菌双杂交技术,从库中筛选出能够结合CFTR基因靶位点的三锌指蛋白;最后将获得的锌指蛋白与非限制性核酸内切酶FokⅠ组装成特异ZFN,通过酵母验证体系,检测ZFN靶向切割其识别序列的效率。【结果】获得3个人工三锌指蛋白随机库,每个库约含有2×10⁶个单克隆,通过2轮细菌双杂交筛选,分别获得48个针对CFTR基因左右两侧靶位点的三锌指蛋白。ZFN活性验证结果表明,约90%的ZFN能够在酵母细胞内实现靶向切割,获得了高效特异的ZFN。【结论】获得了猪CFTR基因高效特异的ZFN。     

VEGFR1基因特导性siRNA的筛选

[目的]筛选血管内皮生长因子受体(VEGRF)基因特异性小干扰RNA(Small Interference RNA,siRNA),为肿瘤等疾病的基因治疗寻找一种新途径。[方法]以高表达VEGFR1的人脐静脉血管内皮细胞(HUVEC)为模型,采用RNA干扰技术,化学合成了3条针对血管内皮生长因子受体1(VEGFR1)的特异性siRNA,用Lipofectamine2000TM转染HUVEC细胞株,通过Real time RT-PCR技术检测HUVEC细胞VEGFR1基因mRNA的表达。并对效果最好的VEGFR1 siRNA-2进行siRNA的浓度梯度效果检测。[结果]结果表明,与对照组相比,所设计的3条siRNA均能不同程度地抑制VEGFR1 mRNA的表达,其中siRNA-2号最有效,浓度为50 nmol/L时抑制率达到95%左右。在浓度梯度试验中,VEGFR1 siRNA-2转染浓度为50 pmol/L时,对VEGFR1基因的沉默效果还能达到50%左右。[结论]所设计的siRNA能有效抑制VEGFR1基因的表达,为RNAi用于靶向VEGFR1的基因治疗提供了非常有效的siRNA序列。     

诱导性多能干细胞的研究及应用

自从小鼠的胚胎成纤维细胞和鼠尾成纤维细胞重编程成为诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells,iPSCs）以来,iPS的研究成了干细胞研究领域的热点。与胚胎干细胞相比,iPS细胞有操作简便和高稳定性等优点可以应用于,如创建人类疾病的遗传模型,培育转基因动物用于器官移植,改善动物生产性状和抗病性,以及生物制药等领域。另外,iPSCs的产生对于解决长期以来干细胞研究领域的伦理问题和免疫排斥问题有巨大的意义,iPS结合基因治疗和细胞移植疗法的成果已经应用到了动物疾病模型上。iPS细胞技术给病人特定细胞治疗和基因针对性药品研制带来了巨大的前景。此外,该技术也提供了iPS细胞重编程机制和人类疾病的病理过程研究的新平台。然而,现阶段多能干细胞的研究只是开辟了一个新的领域,iPS技术要应用于临床还有很多工作要做。本文主要针对iPSCs的研究现状与应用前景进行讨论。     

VEGFR1基因特异性siRNA的筛选

[目的]筛选血管内皮生长因子受体(VEGRF)基因特异性小干扰RNA(Small Interference RNA,siRNA),为肿瘤等疾病的基因治疗寻找一种新途径。[方法]以高表达VEGFR1的人脐静脉血管内皮细胞(HUVEC)为模型,采用RNA干扰技术,化学合成了3条针对血管内皮生长因子受体1(VEGFR1)的特异性siRNA,用Lipofectamine2000TM转染HUVEC细胞株,通过Real time RT-PCR技术检测HUVEC细胞VEGFR1基因mRNA的表达。并对效果最好的VEGFR1 siRNA-2进行siRNA的浓度梯度效果检测。[结果]结果表明,与对照组相比,所设计的3条siRNA均能不同程度地抑制VEGFR1 mRNA的表达,其中siRNA-2号最有效,浓度为50 nmol/L时抑制率达到95%左右。在浓度梯度试验中,VEGFR1 siRNA-2转染浓度为50 pmol/L时,对VEGFR1基因的沉默效果还能达到50%左右。[结论]所设计的siRNA能有效抑制VEGFR1基因的表达,为RNAi用于靶向VEGFR1的基因治疗提供了非常有效的siRNA序列。