我国开发出全新检测基因编辑工具脱靶技术

<正>3月1日,中国农业科学院深圳农业基因组研究所动物基因组中心左二伟课题组与中科院神经科学研究所、中国科学院马普计算生物学研究所、斯坦福大学遗传学系合作开发出一种全新的检测基因编辑工具脱靶的技术。据介绍,该技术是一种在精度、广度和准确性上远超越之前的基因编辑脱靶检测技术,有望由此开发精度更高、     

我国开发出全新检测基因编辑工具脱靶技术

<正>3月1日,中国农业科学院深圳农业基因组研究所动物基因组中心左二伟课题组与中科院神经科学研究所、中国科学院马普计算生物学研究所、斯坦福大学遗传学系合作开发出一种全新的检测基因编辑工具脱靶的技术。据介绍,该技术是一种在精度、广度和准确性上远超越之前的基因编辑脱靶检测技术,有望由此开发精度更高、     

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。     

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。     

织锦巴非蛤形态性状对体质量的影响

猪在农业和医学领域均具有重要应用价值,利用基因修饰技术能够快速提高猪的经济性状和培育 人类疾病动物模型。CRISPR/Cas9 基因编辑技术具有操作简单、高效和低成本的优势,在猪基因修饰领域具有重 要应用。但 CRISPR/Cas9 易引发基因组结构不稳、大范围染色体重排和基因脱靶等问题,因而具有潜在的生物 安全风险。近年基于 CRISPR/Cas9 开发的碱基编辑技术可以实现单个碱基定向转换,不会导致 DNA 双链断裂, 理论上不会引发插入 / 缺失（Indels）,对基因编辑更精准、更安全。随着碱基编辑工具的不断开发和改良,其 不仅能产生 C → T（A → G）突变,还能产生 C、A 两种碱基的同时突变以及 C → G 突变,增加了应用范围;改 良的碱基编辑工具在保持编辑效率的同时能够降低甚至消除旁侧突变、非 C → T（A → G）突变以及 Indels,使 得碱基编辑技术在猪遗传修饰上具有更加重要的潜在应用价值。综述了不同的碱基编辑系统原理、碱基编辑技 术在基因修饰猪模型构建和猪遗传改良中的应用,以及碱基编辑系统在猪成纤维细胞中的编辑效率和脱靶情况, 以期为开展猪碱基编辑应用实践提供参考。     

CRISPR/Cas9基因编辑系统及其在水稻育种中的应用综述

综述了CRISPR/Cas9基因编辑系统及其在水稻育种中的应用。在水稻基因组水平上进行基因定向编辑改造对水稻育种具有重要意义。CRISPR/Cas9基因编辑系统是近几年来研究发现的一种定点基因组编辑新工具,仅需要短RNA和核酸酶就可以对特定的靶标基因进行突变,因其简便高效而被广泛应用于包括水稻在内的多种生物的基因组编辑中。     

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。     

基因编辑技术及CRISPR/Cas系统在草地植物开发中的应用

随着高通量测序技术的兴起,功能基因组学研究得以迅猛发展.基因组定点修饰技术作为一项研究特定基因功能的工具,对功能基因组学的研究具有极强的推动作用.CRISPR/Cas系统是一种适应性免疫防御系统,在细菌、古细菌的长期演化过程中形成,用于对抗入侵的病毒及外源DNA.通过对各种基因编辑技术的对比,发现相比于DNA同源重组、锌指核酸酶(ZFNs)和转录激活因子样效应物核酸酶(TALENs)等技术,基于RNA指导的CRISPR/Cas系统为基因组定点编辑开辟了一条新的道路,在基因功能研究中具有效率高、成本低、易于操作等显著优点.从作用机制和发展历程等方面对目前基因编辑的4种技术进行简述,进一步总结CRISPR/Cas系统在经济林木、作物、植物病毒和牧草植物功能基因组编辑中的研究应用,以期为促进基因编辑技术在农牧生产中的应用提供参考.     

CRISPR-Cas9技术介导蔬菜作物遗传改良研究进展

在植物中,CRISPR-Cas基因组编辑技术是一种改变基因功能并改良作物品种的新技术。与传统育种相比,CRISPR-Cas是一种操作简单、低成本、高效精准的技术,并且脱靶风险较低。蔬菜作物富含膳食纤维、维生素和矿物质,对人类健康至关重要。然而,随着气候环境的变化,生物和非生物胁迫对蔬菜的生产构成严重威胁,影响品质和产量。在综述中,概述了CRISPR技术发展史、CRISPR-Cas工具箱的组成、现有Cas蛋白的变体、CRISPR-Cas元件转化到植物中的方法以及基因编辑系统在蔬菜作物遗传改良应用中的具体案例,最后提出了CRISPR-Cas技术在蔬菜育种中的挑战和应用前景。     

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系统在植物基因组定点编辑中的研究进展

当外源DNA通过转基因技术导入植物细胞后,会以同源重组或非同源重组两种不同的方式整合到基因组中,进而获得相应的目标性状。外源DNA与受体细胞序列相同或相近的位点发生重新组合,从而整合到受体细胞的染色体上称之为同源重组;当发生了DNA双链断裂的细胞为了避免DNA或染色体断裂而造成DNA降解或对生命力的影响,而强行将2个DNA断端彼此连接在一起时则为非同源重组。发生非同源重组的细胞其基因组常出现核苷酸片段的插入和/或缺失以及其他突变等多种情况,使得研究者无法得到精确控制的突变结果;而发生同源重组的细胞基因组序列通常不变,通过加入同源重组的供体DNA,可以实现对基因组的精确修饰和改造。由于在植物中产生自发同源重组的概率很低,对植物基因组进行精确修饰和改造非常困难,位点特异性核酸酶的出现和应用,大大提升了同源重组的效率,使基因组编辑变得更加高效和精确,从而使得对包括植物在内的任何物种进行基因组编辑都将成为可能。锌指核酸酶（ZFN）和TALE核酸酶（TALENs）是能够使DNA的靶位点产生DNA双链断裂进而实现基因组定点编辑的常用系统,但在具体应用中发现这两种系统存在着许多缺陷和不足,如脱靶效应、与基因组进行特异结合与染色体位置及邻近序列有关等,另外技术难度大、构建组装时间长也限制了其应用。CRISPR/Cas系统广泛存在于细菌及古生菌中, 是机体长期进化形成的RNA指导的降解入侵病毒或噬菌体DNA的适应性免疫系统。Ⅱ型CRISPR/Cas系统经过密码子优化等改造后已成为继锌指核酸酶ZFNs和TALENs后的新型高效定点编辑的新技术,具有突变效率高、制作简单、易操作及成本低的特点。目前,该技术成功应用于人类细胞、斑马鱼、小鼠以及细菌的基因组精确编辑,编辑的类型包括基因的定点插入、小片段的缺失、多个位点同时突变、基因定点的indel突变等。目前,CRISPR/Cas系统在植物中的应用还比较有限,但该技术为植物基因工程的发展呈现了美好的前景。文中首先简要介绍了CRISPR/Cas系统的组成和基本原理,进而详细综述了该技术在植物内源基因和外源基因定点编辑中的应用,主要列举了自CRISPR/Cas系统改造成功以来利用该系统对单子叶和双子叶植物进行基因组定点编辑的案例,最后对基因组编辑技术在农业和植物基因工程上的应用进行了展望,希望能够为开展该领域研究的科研工作者提供参考。     

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。     

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。     

中国科学院遗传所在CRISPR-Cas9玉米基因组编辑方法研究中取得新进展

正基因组编辑是生命科学新兴的技术并被迅速应用,特别是基于CRISPR-Cas9系统的基因编辑工具近年来发展较快,在医疗、农业等领域展现巨大的应用潜力。此前,在玉米等部分作物中基于农杆菌转化的载体进行基因组编辑的效率偏低,在一定程度影响到该技术的高效利用尤其是基于CRISPR-cas9系统的高通量突变allele筛选。因此,如何提高编辑效率是大家关注     

提高CRISPR/Cas9系统靶向编辑效率方法的研究进展

近年来,CRISPR/Cas9系统经过一系列改造后已成为继锌指核酸酶ZFNs和TALENs后的新型高效定点编辑的新技术,目前,该技术已成功应用于人类细胞、斑马鱼、小鼠以及细菌的基因组精确编辑,但是该技术在农作物等植物中的应用还比较受限,且其脱靶效应等问题还有待解决。本文首先简要综述了CRISPR/Cas9系统的发展历程、结构组成和作用机制及其在农作物中的应用,进而综述了近年来探索出的提高CRISPR/Cas9系统靶向编辑效率的方法。最后,对基因组编辑技术在农作物和作物育种上的应用进行了展望。     

慢病毒介导的CRISPR/Cas9技术编辑PFF细胞BMPR-IB基因及BMPs信号通路重要基因表达分析

【目的】利用慢病毒介导的CRISPR/Cas9基因组编辑技术获得编辑BMPR-IB（bone morphogenetic protein receptor, type IB）基因的猪胎儿成纤维细胞（pig fetal fibroblasts, PFF）,并研究该基因被编辑后对骨形态发生蛋白（bone morphogenetic proteins, BMPs）信号通路中重要功能基因表达的影响。【方法】针对猪的BMPR-IB基因的外显子8,利用在线软件http://crispr.mit.edu获得了21条sgRNAs（single-guide RNAs）序列;得分最高的sgRNA与互补序列（包含接头）退火成双链后连接入线性化的lentiCRISPR v2质粒以获得打靶质粒,打靶质粒与包装质粒psPAX2和pCMV-VSV-G按5﹕4﹕1质量比混合后通过293T细胞包装慢病毒。慢病毒溶液经0.45 μm滤膜回收后与PFF细胞培养液按照1﹕1混合、并加入聚凝胺（polybrene）至终浓度为6 μg·mL^-1,在1 000 g转速、32℃下离心感染PFF细胞1 h。感染3 d后,细胞在含3.5 μg·mL^-1嘌呤霉素的培养液中筛选6-7 d,最终获得编辑BMPR-IB基因的PFF细胞克隆群。针对编辑（打靶）细胞,首先通过T7E1酶切检测突变体,初步判断打靶效率,再通过PCR、PCR-TA克隆分析细胞的编辑及脱靶情况。利用RT-PCR检测编辑和对照组细胞中与BMPs信号通路相关的重要基因的表达情况;Western blotting检测编辑细胞与对照组细胞中BMPR-IB基因的蛋白表达量。利用Cell Counting Kit-8（CCK-8）试剂盒检测编辑细胞及对照组细胞的增殖能力。【结果】T7E1酶切及PCR测序均证实PFF细胞成功打靶目标DNA区域;TA克隆测序表明目标区域发生了插入与缺失突变,突变率为70%。针对20个潜在的脱靶位点的TA克隆测序结果表明,仅1个位点出现了10%（2/20）的脱靶情况。RT-PCR结果显示,打靶细胞与对照组细胞相比,BMPR-IB、CylinD2、Cdk2和Bcl2基因的表达量均极显著下降（P < 0.01）。Western blotting结果显示,打靶细胞BMPR-IB基因的表达量较对照组细胞降低62%。CCK-8检测试验表明,同一代细胞中,打靶PFF的增殖能力极显著低于对照组细胞（P < 0.01）;打靶细胞中,随着传代的（P5、P7和P9）增加其增殖能力极显著下降（P < 0.01）,而对照组细胞不同代次间细胞增殖能力无显著差异（P > 0.05）;打靶PFF的增殖能力不受嘌呤霉素筛选的影响。【结论】慢病毒介导的CRISPR/Cas9技术可针对PFF细胞快速高效地实现基因编辑;在BMPR-IB基因编辑细胞中,BMPs通路重要功能基因的表达量显著下降,该基因对PFF细胞的增殖有重要的调节作用。     

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。