The development and application of genome editing technology in ruminants: a review

Transgenic ruminants are a valuable resource for both animal breeding and biomedical research. The development of transgenic breeding is proceeding slowly, because it suffers from low efficiency of gene transfer and possible safety problems from uncontrolled random integration. However, new breeding methods combined with genome editing and somatic cell nuclear transfer or microinjection can offer an economic and efficient way to produce gene-edited ruminants, which can serve as bioreactors or have improved disease resistance, animal welfare and product quality. Recent advances in precise genome editing technologies, especially clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)/Cas9 nucleases, are enabling the systematic development of gene-edited ruminant production. This review covers the development of gene-edited ruminants, the particulars of site-specific engineered nucleases and the state of the art and new insights into practical applications and social acceptance of genome editing technology in ruminants. It is concluded that the production of gene-edited ruminants is feasible and through improvements in genome editing technology it is possible to help feed the world.     

绵羊转基因技术体系构建及研究进展

转基因技术能够突破种间隔离、实现多基因聚合、按照人类需要改造生物基因组,因而具有广阔的应用发展前景。自从1982年首例转基因动物诞生以来,已先后报道了10余种转基因动物。转基因方法也由早期单一的原核显微注射发展到核移植转基因、病毒载体转基因和基因组编辑技术。转基因目标已由建立动物转基因方法,发展到改良动物生产性能或产品品质、作为生物反应器生产高附加值药用蛋白和培育转基因新品种。文章综述了国内外绵羊转基因技术的研究现状、存在问题和发展趋势,回顾了通过转基因技术培育绵羊新品种或建立动物模型的研究进展,分析了不同转基因方法的技术特点,提出了转基因技术面临的技术障碍和瓶颈问题,尤其对近两年发展起来的基因组编辑技术的特点、发展趋势和应用前景进行了深入探讨。同时,结合中国绵羊转基因技术体系构建工作,分析了构建绵羊转基因技术体系的必要性,总结了中国绵羊转基因技术体系构建的研究现状、技术水平、取得的创新与突破,以及今后的重点发展方向。同时对将来绵羊转基因生物新品种培育潜在的经济、生态和社会效益进行了分析和展望。     

基因组编辑技术及其安全评价管理

基因组编辑技术解决了常规育种需要多代杂交、所需时间长的问题,加快了育种进程;同时,由于人为增加突变效率、存在脱靶效应等也带来了潜在的安全性问题。简要概述了3 种基因组编辑技术的原理和优缺点,并通过基因组编辑技术与传统育种技术和转基因技术的比较分析,讨论了基因组编辑技术及其产品的优势和可能因脱靶效应而引发的生物安全风险。同时,介绍了世界主要国家对基因组编辑植物的监管模式和相关政策,并结合我国现行法规对转基因生物的定义和风险评估的原则,讨论了基因组编辑技术及其产品的安全评价管理,初步提出了基因组编辑植物的安全评价管理思路。     

基于高通量测序的动物基因组研究进展

动物基因组学研究是进行动物遗传资源保护和利用以及分子育种的一项重要基础工作,高通量测序技术的出现为动物基因组学研究带来了革命性飞跃。文章对基于高通量测序技术的动物基因组从头测序、重测序、简化基因组测序等基因组学研究进行了综述,总结了相关的生物信息分析内容,并对不同分析工具及方法进行了比较分析。最后,讨论了当前高通量测序技术存在的问题,对该技术未来发展方向进行了展望。     

基因组编辑技术及其安全管理

基因组编辑技术利用核酸酶对生物体内的DNA双链进行断裂,并以非同源末端连接或同源重组的方式对基因组DNA特定位点进行突变、缺失或者基因的插入与替换。锌指核酸酶、转录激活因子样效应物核酸酶、成簇规律间隔短回文重复序列是目前基因组编辑技术应用中的3种关键核酸酶。基因组编辑技术已在植物基因功能、育种等领域广泛应用,特别是基于成簇规律间隔短回文重复序列的基因编辑技术CRISPR-Cas9。具有优良性状的基因组编辑大豆、玉米等产品已逐步从实验室走向田间,基因组编辑作物展现了较传统转基因作物更为优越的应用前景。本文简要概述了主要使用的3种基因组编辑技术及其原理。对这些技术的优缺点进行了分析,并依据物种分类梳理了利用上述3种技术在动物、植物中突变体建立、基因功能研究、分子育种等方面的研究进展。同时,针对基因编辑产物的产业化应用前景,讨论了基因编辑技术及其产品较传统转基因技术产品的优势,分析了基因编辑技术及其产品可能因脱靶效应而引发的生物安全风险,介绍了美国、欧盟等国家对基因编辑技术及其产品安全管理和商业化应用的政策。文章结合中国现行法规对转基因生物的定义及安全评价(实质等同、个案分析)原则,讨论了基因编辑技术及其产品的安全管理,初步提出了基于传统转基因生物安全评价框架的基因编辑产品的安全评价和管理思路。针对基因编辑产品需要按照个案原则进行评价和管理,安全评价重点开展分子特征及食用安全评价;同时需要针对基因编辑技术的特点建立更加有效、特异的检测新方法,实现对基因编辑产品的有效监测,以促进基因组编辑产品的商业化应用。     

Gene engineering in swine for agriculture

Domestic pigs are the second most important source of meat world-wide, and the genetic improvement of economic traits, such as meat production, growth, and disease resistance, is a critical point for efficient production in pigs. Through conventional breeding and selection programs in pigs, which are painstakingly slow processes, some economic traits, such as growth and backfat, have been greatly improved over the past several decades. However, the improvement of many polygenetic traits is still very slow and challenging to be improved by conventional breeding strategies. The development of reproductive knowledge and a variety of techniques, including foreign gene transfer strategies, somatic cell nuclear transfer(SCNT) and particularly, recently developed nuclease-mediated genome editing tools, has provided efficient ways to produce genetically modified(GM) pigs for the dramatic improvement of economic traits. In this review, we briefly discuss the progress of genomic markers used in pig breeding program, trace the history of genetic engineering, mainly focusing on the progress of recently developed genome editing tools, and summarize the GM pigs which have been generated to aim at the agricultural purposes. We also discuss the specific challenges facing application of gene engineering in pig breeding, and future prospects.     

转基因和基因编辑猪的研究进展

猪是重要的农业经济动物,其在遗传背景、解剖学、生理病理学、营养代谢和疾病特征等方面与人类高度相似,是农业生产性状改良、人类疾病动物模型和异种器官移植研究的重要对象。随着ZFN、TALEN和CRISPR等基因编辑技术的出现,转基因或基因编辑猪的研究取得快速发展。本文将结合当前我国转基因及基因编辑猪的研究现状,对基因编辑技术在农业生产性状改良如提高产肉量、改善肉质、提高抗病能力和建立人类疾病模型、动物生物反应器、异种器官移植等方面进行综述,以期为猪遗传改良和医学研究提供参考。     

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技术在家禽育种方面的应用

作为一种重要的基因工程技术,基因编辑自出现以来一直倍受关注.近年来,基因编辑技术发展更为迅速,从锌指核酸酶技术(ZFN)的开发利用到转录激活因子效应物核酸酶(TALEN)技术的熟练运用,再到规律成簇间隔短回文重复序列(CRISPR)技术的发现,基因编辑技术在不断地自我更新和完善的过程中推动着生命科学的发展和进步.综述了...     

Embryo-mediated genome editing for accelerated genetic improvement of livestock

Selecting beneficial DNA variants is the main goal of animal breeding. However, this process is inherently inefficient because each animal only carries a fraction of all desirable variants. Genome editing technology with its ability to directly introduce beneficial sequence variants offers new opportunities to modernize animal breeding by overcoming this biological limitation and accelerating genetic gains. To realize rapid genetic gain, precise edits need to be introduced into genomically-selected embryos, which minimizes the genetic lag. However, embryo-mediated precision editing by homology-directed repair (HDR) mechanisms is currently an inefficient process that often produces mosaic embryos and greatly limits the numbers of available edited embryos. This review provides a summary of genome editing in bovine embryos and proposes an embryo-mediated accelerated breeding scheme that overcomes the present efficiency limitations of HDR editing in bovine embryos. It integrates embryo-based genomic selection with precise multi-editing and uses embryonic cloning with elite edited blastomeres or embryonic pluripotent stem cells to resolve mosaicism, enable multiplex editing and multiply rare elite genotypes. Such a breeding strategy would enable a more targeted, accelerated approach for livestock improvement that allows stacking of beneficial variants, even including novel traits from outside the breeding population, in the most recent elite genetic background, essentially within a single generation.     

紫茎泽兰叶绿体基因RNA编辑位点的鉴定及分析

RNA编辑是陆生植物叶绿体转录后基因表达调控的一种重要方式。本试验以紫茎泽兰为材料,利用生物信息学预测结合分子克隆及测序方法对其叶绿体的RNA编辑位点进行预测和分析。结果共预测到分布于19个基因的42个编辑位点,所有位点均为C到U的转换。编辑位点的发生位置分析发现,8个位于密码子第1位,34个位于密码子第2位,而密码子第3位未发现RNA编辑事件。同时,利用RT-PCR方法对其中4个基因的编辑位点进行验证,鉴定发现10个真实发生的编辑位点。进一步分析这10个位点发生编辑后对其编码蛋白质跨膜结构域和二级结构的影响,结果表明,ndhB-467的编辑会引起蛋白质跨膜结构的增加,ndhB-149的编辑会引起蛋白质二级结构的改变。     

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。     

Advances in genetic engineering of domestic animals

Global population will increase to over nine billion by 2050 with the doubling in demand for meat and milk. To overcome this challenge, it is necessary to breed highly efficient and productive livestock. Furthermore, livestock are also excellent models for human diseases and ideal bioreactors to produce pharmaceutical proteins. Thus, genetic engineering of domestic animals presents a critical and valuable tool to address these agricultural and biomedical applications. Overall, genetic engineering has evolved through three stages in history: transgenesis, gene targeting, and gene editing. Since the birth of the first transgenic pig, genetic engineering in livestock has been advancing slowly due to inherent technical limitations. A major breakthrough has been the advent of somatic cell nuclear transfer, which, for the first time, provided the technical ability to produce site-specific genome-modified domestic animals. However, the low efficiency of gene targeting events in somatic cells prohibits its wide use in agricultural and biomedical applications. Recently, rapid progress in tools and methods of genome engineering has been made, allowing genetic editing from mutation of a single base pair to the deletion of entire chromosomes. Here, we review the major advances of genetic engineering in domestic animals with emphasis placed on the introduction of latest designer nucleases.     

畜牧兽医学术类期刊的经营策略分析

随着报刊出版单位体制改革意见的出台,大大加快了期刊改革的步伐,期刊改革迫在眉睫。畜牧兽医学术期刊一直受发行量小、经费投入不足、编辑队伍不稳定等诸多问题的困扰。如何使学术期刊更好的适应市场化经营是一个亟待解决的问题。作者分析了畜牧兽医学术期刊的现状,从期刊准确定位、突出办刊特色、稳定编辑队伍等7个方面,综述了畜牧兽医学术期刊的经营策略,为畜牧兽医学术期刊能够可持续发展提供参考。     

基因编辑CRISPR技术在海洋生物遗传育种的应用进展

基因编辑(geneediting)是生命科学领域目前应用最广泛的技术之一,以其对生物内源基因改变的精确性极大地推动着生命科学的研究进程,而CRISPR技术则是目前适应范围最广、可靠性最高的一类基因编辑技术,与其他技术相比,该技术具有高效、简单等优点.CRISPR等基因编辑技术已在动植物遗传育种、生物医疗等领域广泛应用,...     

全球基因编辑育种创新价值链现状与启示

为明晰我国农作物基因编辑育种创新链的角色地位，从技术创新价值链视角出发，从知识原理、应用技术和产品开发3个维度系统梳理分析了全球基因编辑育种创新链的演化逻辑和最新发展态势。结果表明:1)全球大多数研发资源主要集中在中间环节的应用技术开发和种质资源创制上，处在创新链末端的商业化运用产品相对较少，尤其在我国还没有商业化的基因编辑品种面世。2)对基因编辑的进一步原理性知识创新的空间十分有限。基因编辑作为一种普及的技术手段，未来创新的重点在于利用基因编辑工具创制具有新功能的育种材料和种质资源。3)商业化产品开发目前是基因编辑创新链中最薄弱的环节，且只有开发出能满足市场需求，具有重大社会经济效益的基因编辑成果才有意义。本研究进一步提出了我国建立高效运转的基因编辑农作物育种创新体系和准确定位发展目标的对策建议，为构建具有中国特色的创新价值链提供决策参考。     

新型DNA碱基编辑器的研究进展

DNA碱基编辑技术是由CRISPR/Cas系统发展而来，能对基因组碱基进行精准编辑。目前已开发的DNA碱基编辑器包括介导C·G至T·A转换的胞嘧啶单碱基编辑器、介导A·T至G·C转换的腺嘌呤单碱基编辑器、介导C·G至G·C颠换的糖基化酶单碱基编辑器、介导C·G至T·A和A·T至G·C同时转换的双碱基编辑器、介导任意碱基之间转换的引导编辑器以及线粒体DNA编辑器。本文系统总结了上述6种DNA编辑器的原理、优化历程及最新研究进展，着重介绍了应用到植物研究中的碱基编辑器工具及其在作物遗传改良中的应用，并对碱基编辑技术今后的发展进行了展望。     

CRISPR/Cas9系统研究进展及应用

CRISPR/Cas9是目前应用广泛的基因组编辑工具,该系统利用一段RNA引导Cas9核酸酶可对多种细胞及动植物基因组实现特定位点的切割和修饰,具有操作简单、作用高效等优点。Ago是另一类核酸内切酶,具有良好的应用潜力。从CRISPR/Cas9的发展现状、结构基础、作用机制、改进后的基因编辑机制及基因编辑技术的应用等方面进行了综述,讨论其存在的问题,并提出相应对策。