CRISPR/Cas9技术在昆虫基因功能研究中的应用及优化

主要概述了CRISPR/Cas9技术应用于涉及鞘翅目、鳞翅目、膜翅目、半翅目、直翅目和双翅目的昆虫在色素沉着、抗性、嗅觉、交配和性别发生等方面的研究进展，包括基因敲除和基因敲入技术的应用，同时总结了目前CRISPR/Cas9系统的优化方案，最后对改良CRISPR/Cas9系统在昆虫基因组学研究和农业害虫防控的应用前景进行了展望。利用基因编辑技术对昆虫基因功能进行探究是除基因过表达、RNA干扰等方法外的一种有效策略。CRISPR/Cas9技术是近年来出现并迅速发展的第三代基因编辑工具，以操作简便、成本低和编辑效率高等优点而被广泛应用于生物科学中的各个分支。     

CRISPR/Cas9系统及其在作物育种中的应用

基因编辑是一项对目的基因进行修饰的新技术,由成簇规律间隔短回文重复序列(Clustered regularly in-terspaced short palindromic repeats,CRISPR)及其关联蛋白(CRISPR associated,Cas)组成的系统(CRISPR/Cas)为新一代基因编辑技术,其中Cas9蛋白与CRSPR结合形成的编辑系统CRISPR/Cas9因其简单易操作的特性已广泛应用于植物基因组编辑,发展潜力巨大.文章论述了CRISPR/Cas9系统的作用原理、发展历程及在植物基因组中的定点编辑效应,并分析CRISPR/Cas9在水稻、小麦、玉米等作物育种中的应用现状,发现其在改良水稻产量和质量相关性状、小麦白粉病抗性及玉米乙烯敏感等性状上效果明显.在今后的研究中,应针对不同作物的育种目标,深入了解目标基因的功能作用来设计相应的操作方案,并提高该系统对作物目的基因改良的效率,加强其安全性等,以促进基因编辑在作物育种中的应用,加快育种进程.     

利用PEI-SWNT介导的瞬时转化检测青花菜基因编辑效率

CRISPR/Cas9基因编辑系统是作物分子设计育种的重要手段,sgRNA设计对于提高基因编辑效率具有重要作用.为了提高sgRNA设计的准确度,构建了聚乙烯亚胺修饰的单壁碳纳米管(PEI-SWNT)介导的瞬时转化体系,并用于检测青花菜CRISPR/Cas9基因编辑效率.结果表明,CRISPR/Cas9编辑体系可以诱导青花菜特定基因位点发生突变,编辑效率为8.3％.研究结果为利用CRISPR/Cas9基因编辑系统创制青花菜新种质提供了基础.     

CRISPR/Cas9基因编辑技术在植物中的应用与政策监管

基因编辑技术是一种在基因组水平上对DNA序列进行精准修饰,从而促使基因组序列定向改造的技术。随着近几年CRISPR/Cas9技术的快速发展,基因组编辑技术在作物育种领域发挥了越来越重要的作用。本文综述了基因编辑技术的发展历程,以及CRISPR/Cas9的工作原理,分析了CRISPR/Cas9的局限性并提出了改进方法。重点阐述了植物CRISPR/Cas9基因编辑体系的建立、在植物性状改良方面的应用,以及最终致力于基因编辑产品商业化的应用案例。同时还分析了美国、欧盟、英国、日本和中国这5个代表性国家/地区的基因编辑监管政策和态度,以期为我国科学监管框架的建立提供参考,促进CRISPR/Cas9在我国乃至全球的产业化应用。     

CRISPR/Cas9基因编辑技术在植物病原真菌中的应用研究进展

CRISPR/Cas9是在细菌、古细菌基因组中含有的一种成簇有规律的间隔短回文重复序列,该结构被其用于抵御外来微生物基因入侵。通过对上述结构进行改装从而形成一种基因编辑方法,与传统的锌指核酶和转录激活因子样效应物核酶基因编辑方法相比,CRISPR/Cas9基因编辑技术具有更高效的优势。本文以CRISPR/Cas9系统的组成、作用机制和运用原理为切入点,系统总结了该技术在植物病原真菌(稻瘟病菌、橡胶树胶孢炭疽菌、玉米黑粉病菌等)中的致病相关基因组定点编辑应用情况,明确了当前在植物病原真菌中应用CRISPR/Cas9系统的编辑效率整体较低,不同sgRNA设计工具、目的等对编辑效率、靶向特异性的潜在影响,以及宏观突变检验方式的偏差问题等局限性,并提出了该系统应用范围的扩大、编辑效率的提高以及新型编辑方式的挖掘等建议与展望。     

CRISPR/Cas植物基因组编辑技术研究进展

基因编辑技术的发展与应用为植物功能基因研究和作物遗传改良提供了重要的技术支撑。近年诞生的CRISPR/Cas基因编辑系统(主要包括CRISPR/Cas9和CRISPR/Cas12a)与其他的基因编辑技术相比,具有操作简单、效率高等优势,因此在动植物中均得到广泛应用。本文结合CRISPR/Cas基因编辑技术体系的发展历史及最新研究进展,着重介绍了该技术在植物领域中的应用范围和发展方向,以及基因编辑植物的靶点分析方法;对目前CRISPR/Cas基因编辑技术体系存在的问题进行了分析并提出了改进策略。     

CRISPR/Cas9基因编辑技术应用于绿僵菌

近年来的研究显示,CRISPR/Cas9系统是强有力的基因编辑新技术.以蝗绿僵菌为试验对象,以同源重组敲除系统为对照,研究CRISPR/Cas9系统敲除蝗绿僵菌的基因isp4核苷酸序列.阐明了CRISPR/Cas9载体构建的方法,比较了CRISPR/Cas9和Recombinase敲除技术的异同,最后通过PCR和突变菌株的表型验证了CRISPR/Cas9系统能够应用于绿僵菌.结果表明,CRISPR/Cas9在昆虫病原真菌绿僵菌中是有效的基因编辑技术.     

CRISPR/Cas9技术在农作物应用中的局限及改进

基因编辑技术是一种可直接对DNA序列进行稳定、精准改造的技术,其中CRISPR/Cas9技术以简便、高效、经济等优势脱颖而出。在农作物中,CRISPR/Cas9技术被广泛应用于作物遗传育种、植物基因改造、农作物品种改良等多个方面,给农作物领域带来巨大机遇。但机遇与挑战并存,该技术在实际应用中亦遇到一些困难。因此,本文围绕CRISPR/Cas9技术的原理、局限及改进方案进行综合阐述,以期为CRISPR/Cas9技术在农作物中的进一步应用提供理论基础。     

CRISPR/Cas9基因组定向编辑技术的发展与在作物遗传育种中的应用

CRISPR/Cas9系统是近年发展起来的、由导向RNA介导的基因组定向编辑技术。总结了CRISPR/ Cas9基因组定向编辑技术的发展历程,并综述了其在作物遗传育种研究中的多方面应用。CRISPR/Cas系统是存在于大多数细菌与所有古生菌中的一种后天免疫系统,以消灭外来质体或者噬菌体。 根据Cas蛋白组分及氨基酸序列不同,已发现的CRISPR/Cas系统可以分为3种不同类型,Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。其中,Ⅱ型是以Cas9蛋白及导向RNA为核心组份,组成较为简单,是目前经过改造用于开发基因组定向编辑技术的主要类型。自CRISPR/Cas9技术体系首先在人类与动物细胞系中建立后,经过改造的CRISPR/Cas9系统被迅速地应用于拟南芥、烟草、高粱、水稻、小麦、玉米等不同植物基因组的定向编辑研究中。CRISPR/Cas9与ZFNs或TALENs一样都是通过自身的核酸内切酶活性引起靶位点DNA序列双链断裂,然后通过非同源末端连接或同源重组介导的修复2种方式引入突变。至今,在多种作物中已实现诱导产生多种定点突变（包括插入、缺失或修饰等）,并可获得较高的突变诱导率和可稳定遗传的基因组编辑后代植株。与ZFNs或TALENs技术相比,CRISPR/Cas9技术可以实现对基因组中多个靶基因同时进行编辑,从而可以用来修饰同一基因家族中的不同成员或同一代谢途径中的不同调控基因,为其一大优势。由于CRISPR/Cas9技术具有突变诱导率高、成本低、易于操作及可以多重基因编辑等特点,已成为具有广阔应用前景的作物遗传改良与育种研究的分子操作系统。CRISPR技术除了可以对基因组中不同靶基因进行定向编辑以外,还可以广泛地应用于基因表达调控研究、细胞定位运输系统研究及新型RNA沉默系统构建等方面。基因组编辑技术是继转基因技术之后人类对生物进行遗传操作的又一个革命性技术。但是,与转基因技术相比,CRISPR/Cas9基因组编辑技术操作更加简单、快捷。应用CRISPR/Cas9基因组编辑技术进行育种可以不引入外源基因,在进行基因组编辑之后可以不留下转基因的痕迹,从而导致定义转基因生物的不明确性,因此,政府监管部门是否应该按照转基因的管理办法来监管CRISPR/Cas9技术的应用尚有待决定。     

CRISPR/Cas9技术及其在水稻和小麦遗传改良中的应用综述

CRISPR/Cas9技术是新发展的定向基因编辑技术,CRISPR/Cas9技术是在细菌和古细菌中发现的1种抵御外来病毒及质粒入侵的获得性免疫系统。CRISPR/Cas9技术由sgRNA(单向导RNA)介导,与Cas9核酸酶切割实现作物定点编辑改良。本文主要对CRISPR/Cas9技术的工作原理、系统分类、结构、系统构建方法进行了系统介绍。同时,总结了CRISPR/Cas9技术在水稻和小麦的突变体库的建立和基因功能研究、品质和农艺性状遗传改良等方面的研究。并对CRISPR/Cas9技术对作物进行定向编辑改良进行了展望,以期为利用CRISPR/Cas9技术创制新品种、作物品种改良提供参考。     

基因编辑系统CRISPR/Cas9在作物基因工程育种中的应用

作为传统基因工程育种技术,转基因技术在作物分子育种工作中由于其自身的技术原因存在一定的局限性。而基因编辑技术的出现为作物的遗传改良和基因功能的研究提供了新的思路与途径,目前,应用最为广泛的基因编辑技术是CRISPR/Cas9系统,其主要由sg RNA和Cas9蛋白组成,Cas9蛋白在sg RNA的引导下对目标基因进行编辑。简要介绍了基因编辑技术的发展历程以及CRISPR/Cas9系统的结构组成、工作机制、技术优势及其在作物基因工程育种中的应用进展,这可为开展这一领域工作的研究提供有益参考。     

基于CRISPR/Cas9基因编辑技术靶向敲除OsFAD2创制高油酸水稻突变体

【目的】水稻 OsFAD2 编码脂肪酸脱饱和酶,调节油酸（C18∶1）向亚油酸（C18∶2）转化,该基因突变后可提高水稻的油酸含量。为了创制高油酸水稻突变体并助力稻米油发展,利用 CRISPR/Cas9 技术对OsFAD2 进行定点编辑。【方法】以日本晴（粳稻）愈伤组织为材料,利用含有 CRISPR/Cas9-FAD2-sgRNA 载体的农杆菌介导获得转基因植株,Sanger 测序与荧光定量 PCR 鉴定阳性植株,最后利用气相色谱质谱（GC-MS）检测稻米籽粒脂肪酸含量变化。【结果】靶点序列测序检测表明 , 有 3 株OsFAD2敲除植株在 T0代产生了碱基变异,但是仅有 1 株不存在脱靶现象。随后阳性植株种子被扩繁至 T1 代,使得 OsFAD2 突变序列纯和、稳定,荧光定量 PCR 检测表明 OsFAD2 表达量比野生型植株显著减少。利用 T1 代转基因植株进行种子脂肪酸组分检测表明,敲除 OsFAD2 导致籽粒油酸含量显著上升约 30%。【结论】利用 CRISPR/Cas9 技术对水稻 OsFAD2 编码区序列进行靶向敲除并获得了高油酸水稻突变体,为后续高油酸稻米育种提供种质资源。     

慢病毒介导稳定表达 Cas9 蛋白的鸡成纤维细胞系构建及其活性验证

【目的】筛选稳定表达 Cas9 蛋白的鸡成纤维细胞系（DF-1）,并基于单链退火修复机制（Single Strand Annealing, SSA）的报告载体系统,检测 DF-1 细胞系中的 Cas9 核酸酶活性。【方法】将携带 Cas9 蛋白的慢病毒载体质粒与辅助质粒一起转染 293T 细胞包装慢病毒,收集慢病毒 Cas9 上清液感染 DF-1 细胞,经抗生素筛选得到稳定表达 Cas9 蛋白的 DF-1 细胞,分别用 PCR 和 Western blot 验证阳性 DF-1 细胞表达 Cas9 蛋白的情况;选择鸡卵清白蛋白（OVA）基因的 sgRNA 序列,将 sgRNA 退火产物克隆至 pYP152 构建 sgRNA 表达载体,并在 sgRNA 靶位点两端设计引物扩增 OVA 基因靶片段,将靶片段克隆至报告载体 pCMV-SSA-mCherry-Hind Ⅲ,以破坏 mCherry 蛋白的表达,之后再将 sgRNA 表达载体与 SSA 报告载体共同转染稳定表达 Cas9 蛋白的 DF-1 细胞,最后在荧光显微镜下分析不同稳转株对 mCherry 蛋白表达的修复情况。【结果】经抗生素筛选得到 27 株稳定表达 Cas9 蛋白的 DF-1 细胞系,采用 PCR 扩增稳转细胞基因组,结果显示这些细胞具有 Cas9 蛋白基因序列,Western blots 试验结果显示上述稳转细胞株均表达 Cas9 蛋白;sgRNA 表达载体与 mCherry-SSA 报告载体共转后,通过荧光显微镜观察发现筛选到的稳转细胞株均可恢复报告载体中 mCherry 蛋白的表达。【结论】成功构建了具有切割活性的稳定表达 Cas9 蛋白的 DF-1 细胞系,可为后续在稳定表达 Cas9 蛋白的 DF-1 细胞系上开展鸡相关功能基因研究提供基础材料。     

靶向兔肌肉生长抑制素基因CRISPR/Cas9载体的构建和活性分析

家兔是研究基因功能和疾病模型的重要模式动物,但目前的兔遗传操作体系急需改进,建立成熟高效兔基因敲除平台具有重要意义。为了探究CRISPR/Cas9基因组编辑系统对家兔肌肉生长抑制素(myostatin,简称MSTN)基因的敲除效率,构建了Cas9/gRNA表达质粒p Cas9/gRNA。将Cas9/gRNA质粒转染到兔纤维细胞,经DNA测序发现p Cas9/gRNA诱导MSTN基因发生碱基缺失和点突变,基因突变效率为23%。结果表明,利用CRISPR/Cas9系统可在兔成纤维细胞中高效介导MSTN基因突变,为进一步建立高效的基因敲除兔平台奠定了基础。     

靶向敲除绒山羊lnc15479的CRISPR/ Cas9构建及活性验证

为研究生长期和休止期lnc15479的差异表达在陕北白绒山羊毛囊周期性发育中的作用及功能,利用CRISPR/Cas9技术,在lnc15479的上、下游各设计1个sgRNA靶位点,构建CRISPR/cas9表达载体;并基于SSA修复机制,分别构建含有红色和绿色荧光标记的双荧光报告载体系统。通过将表达载体和报告载体共同转染HEK293T细胞,检测该CRISPR/Cas9系统的工作效率。结果表明,lnc15479的CRISPR/Cas9表达载体成功构建,根据红色和绿色荧光表达情况及细胞计数的方法,该系统的工作效率约为20%。研究结果为进一步分析lnc15479的功能提供技术支持。     

利用CRISPR/Cas9n技术生产抗蓝耳病的基因编辑克隆猪

本研究利用基于CRISPR/Cas9n系统的基因编辑技术结合体细胞核移植技术,构建了在同一载体中同时表达2条sg RNA和Cas9切刻酶以及绿色荧光蛋白(green fluorescent protein,GFP)的质粒,瞬时转染猪的成纤维细胞。通过流式细胞仪分选获得表达GFP的细胞,继续培养GFP阳性细胞至单个细胞长成细胞克隆点,经聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)和DNA测序鉴定获得了对CD163基因进行编辑的细胞克隆点,阳性率高达90%(18/20)。以CD163基因编辑的细胞为供体细胞进行体细胞克隆和胚胎移植,获得了2头正常存活的CD163基因编辑猪。     

一种CRISPR-Cas9介导的拟南芥高效基因编辑系统的构建与应用

【背景】近些年兴起的CRISPR-Cas9基因编辑技术在多种植物中实现了高效的基因打靶,为基因功能研究提供了一种高效快速的方法,但一些CRISPR-Cas9载体编辑效率很低。【目的】通过构建一种由RIBOSOMAL PROTEIN S5 A(RPS5A)启动子启动Cas9并带有红色荧光蛋白筛选标记的CRISPR-Cas9载体,提高拟南芥CRISPR-Cas9编辑效率,并利用这套系统对拟南芥木葡聚糖内糖基转移/水解酶基因TOUCH4(TCH4)进行编辑。【方法】在pKSE401载体的基础上,以从胚胎发育早期就表现出高转录活性的RPS5A启动子替换35S启动子、以DsRed2替换潮霉素抗性基因,构建拟南芥中使用的CRISPR载体pRSE-WH;以AtTCH4为靶基因,使用CRISPR-P2.0(http://crispr.hzau.edu.cn)设计靶位点,将所设计的靶点序列在拟南芥参考基因组中比对分析以排除非特异性靶位点,最终筛选出2个靶位点target 1和target 2。化学合成带有接头的靶位点寡核苷酸序列,退火后分别与pRSE-WH载体连接,构建TCR1和TCR2表达载体,采用农杆菌介导的沾花法侵染野生型拟南芥Col-0,以红色荧光蛋白为标记筛选获得T1代转基因阳性植株。通过靶位点扩增测序法判断T1代转基因植株在预期靶位点是否发生编辑,根据测序结果的峰图对编辑情况进行解码,进一步分析突变类型及基因型。【结果】构建了一个在拟南芥中高效编辑的CRISPR载体pRSE-WH。TCR1和TCR2成功地实现了对TCH4的定点编辑,靶点一的编辑效率为80%,靶点二的编辑效率为100%,总编辑效率为86%。根据测序结果的峰图解码了T1代植株的突变结果,纯合编辑、杂合编辑、双等位编辑均有出现。对不同的编辑类型进行统计发现,59株T1代阳性植株中,无编辑8株,占比13.56%,纯合编辑9株,占比15.25%,双等位编辑40株,占比67.80%,杂合编辑2株,占比3.39%。在T1代发生纯合编辑以及双等位编辑的株系中选择了无红光种子进行繁种,并对T2代植株编辑情况进行测序检测,结果发现T1代中的突变成功遗传到了T2代无Cas9株系中。【结论】pRSE-WH在拟南芥中展现了极高的编辑效率,并且通过对种子进行红色荧光筛选,能够简便地获得无Cas9且稳定遗传的T3代突变体。     

基因编辑技术及其在作物育种中的应用与安全管理

基因组编辑技术是研究基因功能和对生物体基因进行定向改造的有力工具。随着近几年CRISPR/Cas9技术的快速发展,基因组编辑技术在作物育种领域起着越来越重要的作用。介绍了ZNFs、TALENs和CRISPR/Cas9系统的原理及在作物育种领域的研究进展,重点论述了CRISPR系统相关的变体和该系统在植物基因功能研究和作物育种中的进展。同时,也论述了基因编辑作物的检测方法及不同国家和地区对基因编辑作物的监管态度,重点介绍了美国、欧盟以及我国目前的监管态度,并分析了基因编辑作物存在的问题和发展趋势。为我国基因编辑作物的研究、安全管理和商业化批准提供了参考。     

CRISPR/Cas9基因编辑技术在真菌中的应用

CRISPR/Cas系统是一种新型基因编辑技术,因为它制作成本低廉、操作过程简单、快捷且易于掌握的特点,迅速地在动物、植物和微生物等多种生物中成功实现了基因组定点修饰。简述了Ⅱ型CRISPR/Cas系统的结构、作用机理,对CRISPR/Cas9在真菌基因组编辑中的应用进展进行了概述,并对该技术存在的问题及应用前景进行了展望。     

一种CRISPR-Cas9介导的拟南芥高效基因编辑系统的构建与应用

【背景】近些年兴起的CRISPR-Cas9基因编辑技术在多种植物中实现了高效的基因打靶,为基因功能研究提供了一种高效快速的方法,但一些CRISPR-Cas9载体编辑效率很低。【目的】通过构建一种由RIBOSOMAL PROTEIN S5 A（RPS5A）启动子启动Cas9并带有红色荧光蛋白筛选标记的CRISPR-Cas9载体,提高拟南芥CRISPR-Cas9编辑效率,并利用这套系统对拟南芥木葡聚糖内糖基转移/水解酶基因TOUCH4（TCH4）进行编辑。【方法】在pKSE401载体的基础上,以从胚胎发育早期就表现出高转录活性的RPS5A启动子替换35S启动子、以DsRed2替换潮霉素抗性基因,构建拟南芥中使用的CRISPR载体pRSE-WH;以AtTCH4为靶基因,使用CRISPR-P 2.0（http://crispr.hzau.edu.cn）设计靶位点,将所设计的靶点序列在拟南芥参考基因组中比对分析以排除非特异性靶位点,最终筛选出2个靶位点target 1和target 2。化学合成带有接头的靶位点寡核苷酸序列,退火后分别与pRSE-WH载体连接,构建TCR1和TCR2表达载体,采用农杆菌介导的沾花法侵染野生型拟南芥Col-0,以红色荧光蛋白为标记筛选获得T₁代转基因阳性植株。通过靶位点扩增测序法判断T₁代转基因植株在预期靶位点是否发生编辑,根据测序结果的峰图对编辑情况进行解码,进一步分析突变类型及基因型。【结果】构建了一个在拟南芥中高效编辑的CRISPR载体pRSE-WH。TCR1和TCR2成功地实现了对TCH4的定点编辑,靶点一的编辑效率为80%,靶点二的编辑效率为100%,总编辑效率为86%。根据测序结果的峰图解码了T₁代植株的突变结果,纯合编辑、杂合编辑、双等位编辑均有出现。对不同的编辑类型进行统计发现,59株T₁代阳性植株中,无编辑8株,占比13.56%,纯合编辑9株,占比15.25%,双等位编辑40株,占比67.80%,杂合编辑2株,占比3.39%。在T₁代发生纯合编辑以及双等位编辑的株系中选择了无红光种子进行繁种,并对T₂代植株编辑情况进行测序检测,结果发现T₁代中的突变成功遗传到了T₂代无Cas9株系中。【结论】pRSE-WH在拟南芥中展现了极高的编辑效率,并且通过对种子进行红色荧光筛选,能够简便地获得无Cas9且稳定遗传的T₃代突变体。