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【重磅】基因编辑“女神”Jennifer等发现新CRISPR-Cas系统!
热度 18 amateur1988 2016-12-23 21:41
本文首发于微信公众平台“科研小助手”,ID:SciRes。微信扫描文末二维码添加关注! 今日凌晨,Nature杂志Online了一篇题为“ New CRISPR–Cas systems from uncultivated microbes(来自不可培养微生物的新CRISPR-Cas系统 ) ”的文章,该文 主要报道了两种新的CRISPR-Cas系统:CRISPR–CasX 和CRISPR–CasY 。该文章的通讯作者是加州大学伯克利分校 Jennifer A. Doudna 和 Jillian F. Banfield 。有意思的是,在文章中特别注明了该项发现已递交 临时专利申请(provisional patent application) ,其中三位共同一作以及两位通讯作者均名列发明者一栏,在这件事情上是由于prior-art原因还是吸取了与张峰专利之争的教训,耐人寻味。 而Nature更是火速帮其Online了这篇文章( Accelerated Article Preview ),更有趣的是几乎在该文Online的同时,包括 澎湃新闻 等国内外媒体就放出了该文的相关报道! 文章详解 CRISPR-Cas系统为微生物提供适应性免疫。CRISPR是位于细菌和古生菌基因组的特殊的DNA重复序列,通常由一个前导区(Leader),多个短而高度保守的重复序列区(Repeat)和多个间隔区(Spacer)组成。前导区富含AT长度为300~500bp的区域,是CRISPR的启动子序列。重复序列区长度为21~48bp,具有回文序列,可形成发卡状二级结构。重复序列之间被长度为26~72bp的间隔区隔开。间隔区由细菌或古生菌俘获外源DNA组成,类似免疫记忆,当含有同样序列的外源DNA入侵时,可被细菌机体识别,并进行剪切使之表达沉默,达到保护自身安全的目的。 对CRISPR位点侧翼序列分析发现,在其附近存在一个多态性家族基因。该家族编码的蛋白质均含有可与核酸发生作用的功能域(具有核酸酶、解旋酶、整合酶和聚合酶等活性),并且与CRISPR区域共同发挥作用,被命名为CRISPR关联基因(CRISPR associated),缩写为Cas。目前发现的Cas包括Cas1~Cas10等多种类型。Cas基因与CRISPR共同进化,共同构成一个高度保守的系统。(如下图) 目前发现的 CRISPR-Cas系统主要分为三种类型,研究得最为详细的是第二种类型。II型CRISPR-Cas系统是由一个Cas蛋白结合向导性RNA(Guide RNA)到特异的位点,然后切割序列,造成DNA损伤。通常两种方式修复:一种是易错的修复机制(error prone repair),往往会造成碱基的插入和缺失(indel)另外一种是模板介导同源重组修复(HDR)。(如下图) CRISPR-Cas系统的特点也为物种改良和很多遗传性和肿瘤等疾病带来革命性的改变。然而现有的这些CRISPR-Cas系统是根据分离培养的细菌体内发现的。众多的环境微生物中CRISPR-Cas系统还是没有被研究过。宏基因组学是研究环境微生物基因组的分支学科,这样为诠释环境微生物的基因功能提供可能。加州大学伯克利分校的Jillian F. Banfield教授领导的研究小组利用宏基因组研究技术从环境微生物发现了更多的新的CRISPR-Cas系统。包括从纳古生菌中发现了Cas9蛋白,这也是第一次在古生菌种找到Cas9蛋白,跟以前发现的Cas9并不相同。在细菌中,发现了两种新的CRISPR-Cas系统:CRISPR-CasX和CRISPR-CasY系统。这些新的CRISPR-Cas系统拓宽了识别DNA序列的范围,为发展CRISPR-Cas系统的应用于生物技术领域和疾病治疗等提供更多的可能和更多的选择。 Jillian F. Banfield教授领导的研究小组 从地下水,沉积物,矿山酸性废水,土壤,婴儿肠道等已经测序入库的T碱基的数据库中寻找II型CRISPR-Cas系统 。 通过生物信息学分析,寻找跟CRIPSP簇和Cas1序列类似的基因位点。分析了数据库中大约1.5亿个蛋白编码基因。他们第一个发现了古生菌中的Cas9蛋白,又从细菌中发现了CRISPR-CasX和CRISPR-CasY。他们结构特点如下图。 古生菌ARMAN-1的CRISPR-Cas 位点包括很大的 CRISPR基因簇和相连的Cas1, Cas2, Cas4和Cas9。作者分析了16份古生菌样本,CRISPR-Cas位点的序列同源性高达99.7%。对古生菌ARMAN-1其它的CRISPR-Cas序列分析后发现它们具有保守的末端和中间的可变的区域,表明插入了不同的序列(图4a)。作者推测位于Cas9基因和可变区域中间的200bp, 是启动子和转录起始点。间隔区的高可变性表明古生菌ARMAN-1中的CRISPR-Cas9是有活性的。系统进化分析Cas1序列表明古生菌ARMAN-1的CRISPR-Cas系统不同于已经发现的II型CRISPR-Cas系统其它成员。Cas4相关的CRISPR-Cas系统属于II型B,而Cas9序列跟II型C系统更类似。他们发现古生菌的II型系统融合了B和C的特点。 56个古生菌ARMAN-1间隔序列靶向10Kb的环形序列,主要是编码很多短的预测的蛋白序列,这个10Kb的环形序列很多能就是古生菌的病毒序列。有研究用冷冻电镜技术观察到附着在古生菌上病毒颗粒。ARMAN-1的间隔序列也来源于ARMAN-2和Thermoplasmatales古生菌转座子序列。有研究发现了ARMAN 和Thermoplasmatales细菌接合的桥联结构,说明这两种古生菌之间存在某种联系。 因此说ARMAN-1的CRISPR-Cas9系统是防止外来转座子,维护基因组的稳定性,类似于真核生物生殖细胞中的piRNA防止生殖细胞转座的作用。 ARMAN-4的Cas9基因只有一个CRISPR-间隔序列基元。也不是ARMAN-1那样还存在其它 Cas蛋白。也没有发现它们的间隔区域靶向的位点。但是在收集的样品中这个位点还是很保守的,它是一个单靶位点的CRISPR-Cas系统。它们有不一样的生理作用,如基因调控和细胞间的相互作用。 CRISPR-Cas系统在PAM序列旁边的2-4个和苷酸序列区分自我和非我。图2c 所示,ARMAN-1的基因组上PAM序列旁边更偏好为NGG,Cas9和crRNA和tracrRNA一起靶向到特异位点切割。前面认为古生菌没有II型CRISPR系统是由于它没有RNA聚合酶III,这个是负责crRNA/tracrRNA复合体的成熟。在ARMAN-1的基因组中没有发现RNA聚合酶III,在 CRISPR位点也没有发现启动子结构,说明ARMAN-1通过Guide RNA成熟有其它机制,有待阐明。大肠杆菌和酵母中表达纯化的古生菌ARMAN-1和ARMAN-4的Cas9蛋白的体外实验,未见它们有切割能力,说明了古生菌独特的系统,很可能它们在蛋白翻译后修饰很不一样,造成外源表达的Cas9不具有活性。 除了Cas9以外,II型系统还有Cpf1,C2c1和C2c2。另外一个基因C2c3存在并不广泛。作者假设在环境微生物中可能还存在着其它的Cas蛋白酶。通过宏基因组数据库比对,作者在地下水和沉积物样本中找到了一个新的 Cas蛋白酶,大约为980个氨基酸序列长,命名为 CasX。Phyla,Deltaproteobacteria和Planctomycetes种属的细菌中CasX同源性达到68%。序列比对发现CasX蛋白酶跟转座酶的同源性很差,只有C端有一定的相似性。同源建模发现了CasX 蛋白酶C端的RuvC结构域。N端其余的630个氨基酸并没有发现跟其它蛋白有相似性。说明它是一个新的II型Cas蛋白酶,跟 CasX蛋白相连的同源序列有37bp,间隔序列为33-34bp。 Figure3中作者检测了CasX是不是跟Cas9和Cpf1一样具有切割活性,构建了一个含有CasX ,短的间隔重复序列的质粒,然后将它转化到大肠杆菌中,这样一个人工的微型CRISPR-CasX载体能够切割抗性基因,使得大肠杆菌不能在抗性平板上生长(Fig.3a)。 也能靶向切割大肠杆菌增殖调控的基因,影响大肠杆菌繁殖(Fig.3b,3c)。 通过在构建了的含有CasX ,短的间隔重复序列的质粒上PAM序列两端引入随机碱基,分析后发现发现在5’端更偏好为TTCN,3’端没有偏好性。因此(Fig.3d),接着在环境微生物Deltaproteobacteria中发现CasX相连的PAM序列5’端序列是TTCA。进一步验证了上面大肠杆菌中分析得到的结论。 作者又通过大规模转录组分析分析了CasX需不需要tracrRNA靶向切割,发现了非编码的RNA转录本与CRISPR重复序列互补靶向CasX切割(Fig.3e)。又通过Northern杂交寻找了表达CasX 大肠杆菌的非编码RNA序列。发现在跟CasX同一条链110bp长的RNA转录本为介导CasX切割向导RNA。转录组学分析表明 CrRNA最后剪切为23bp重复和20bp的间隔序列。这与 CRISPR-Cas9系统类似(Fig.3f) 为了证明 CasX系统需要 tracrRNA,作者删除前面构建CRISPR-CasX系统中tracrRNA 序列,发现细菌能够在抗性板上存活。(Fig.3g)tracrRNA和crRNA形成sgRNA, 表达 crRNA和短的 sgRNA并不能让 CasX系统起作用,不能切割抗性基因,大肠杆菌能在平板上生长。这些结果说明 CRISPR-CasX系统需要crRNA和tracrRNA形成二聚体靶向切割DNA。 作者在特定种的candidate phyla radiation (CPR)细菌中发现了另外一种 Cas蛋白酶,大约1200个氨基酸序列,命名为CasY,在CRISPR-CasY位点还包括Cas1和CRISPR簇(Fig.4a)。一般的CRISPR间隔序列为17-19bp, CasY.5的间隔序列为27-29bp,根据与重复序列的互补性,作者预测了CRISPR-CasY系统的tracrRNA序列。 6种CasY蛋白在共同数据库并没有检索到同源序列。HMMs建模分析发现6种CasY蛋白中的4种与与C2c3蛋白C末端存在同源性,N末端45个氨基酸存在同源性。CasY跟已有的Cas系统没有很好的同源性,作者想要证明它有没有RNA向导的DNA切割活性。由于它的间隔序列比较短,还没有足够证据说明它需要PAM序列。将微型CRISPR-CasY.1位点人工插入质粒中,转化入大肠杆菌,靶向一个载体含有跟CRISPR簇相应的间隔序列在5’和3’ 端引入随机碱基来寻找可能的PAM序列。发现被切割的序列5’端含有TA。(Fig.4b).根据发现的PAM序列,外源性的启动子驱动CasY.1和另外一个载体含有单个PAM序列, 5’端TA的 PAM序列很容易被CasY切割,说明 CasY需要 PAM序列且具有DNA切割活性。 CRISPR-CasX和CRISPR-CasY系统能否成为一个更有效的基因编辑工具,需要广大基因编辑工作者的共同完善和拓展,有CRISPR-Cas9作为模板,相信CasX和CasY的后续工作跟进的会更加迅速。 参考文献:(回复“ JC30 ”下载该文献) 1. Burstein D, Harrington LB, Strutt SC et al . New CRISPR–Cas systems from uncultivated microbes. Nature 2016. 感谢北京物理所颜博士的精彩解读! 我们组建了CRISPR-Cas9专题微信群,欢迎扫码加好友拉入! 还可以微信扫一扫关注我们的微信公众平台: 10.1038@nature21059.pdf
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[转载]CRISPR, NgAgo 之外的新型基因编辑技术—南京大学报道SGN
热度 3 Fanxia 2016-9-22 10:41
9 月 15 日,南京大学医学院附属金陵医院的周国华教授、南京大学模式动物所的赵庆顺教授和朱敏生教授及其团队在 GenomeBiology 上报道了基因编辑的一个全新的方法,结构引导的核酸内切酶技术 SGN(structure-guided endonuclease) 。 SGN 的突破在于,不同于以往的 ZFN,TALEN, CRISPR-Cas, 甚至 NgAgo 等技术, SGN 不受靶标序列限制。这种新方法非常灵活、简便,并且具有删除大片段 DNA 的潜力,因此是基因编辑上一个令人激动的新选择。 在生物学的基础研究、基因治疗和遗传改良上常常需要对目标基因进行“编辑”,即对特定 DNA 片断进行删除、插入、替换等操作。近年来基因编辑技术的发展可谓突飞猛进,继 ZFN( 锌指核酸内切酶 ),TALEN( 类转录激活因子效应物核酸酶)后出现的 CRISPR/Cas9 (规律性间隔的短回文序列重复簇),因其成本低、简便、高效等优点,已迅速风靡于世界各地,张锋 ( 博德研究所 ),Jennifer Doudna ( 加州大学伯克利分校 ) 和 EmmanuelleCharpentier ( 德国亥姆霍兹传染研究中心 ) 也因发展 CRISPR-Cas 应用于真核细胞上的努力和贡献,于 2016 年 3 月荣获加拿大盖尔德纳奖。在 9 月 21 日汤森路透发布的“ 2016 年引文桂冠奖( CitationLaureates )”名单中, 1982 年出生于河北石家庄的张锋更是榜上有名 http://www.thomsonscientific.com.cn/press/press20160921/ ,该名单因成功预测多位诺贝尔奖得主而闻名。 CRISPR/Cas9 的三维模型 ( HAOJIANG, Getty Images ) 和其他任何一项技术一样, CRISPR-Cas 也有它的局限性。因此科学家们一方面致力于在 CRISPR 基础上进行改良 :比如从金黄色葡萄球菌里提取 mini-Cas9 来代替 Cas9 ,以解决因 Cas9 酶和 RNA 链的组合过于庞大而不能进入用于基因治疗的病毒内部这一问题;或者用失活的 Cas9 绑定另外一种酶来实现特定 DNA 序列的改变 ,而不像之前 CRISPR-Cas 常被用在仅仅实现特定 DNA 序列的删除。在这个系统中失活的 Cas9 仍然能在 RNA 引导下定位到特定的 DNA 序列,而基因编辑是由绑定的另一种酶来实现;研究人员也在尝试寻找其他更多的酶,如 Cpf1 ,来扩大编辑范围,因为 Cas9 只能在具有特定 DNA 序列位点的周围进行切割。 另一方面,科学家们一直在寻找新的基因编辑方法。今年 5 月份河北科技大学韩春雨 NgAgo 论文 的横空出世,带给领域内极大的兴奋和不小的震动,尽管目前关于该实验重复性的争论还远未烟消云散,但是用格氏嗜盐碱杆菌 (Natronobacteriumgregoryi) 的 Argonaute 蛋白,外加一段 5 ’端磷酸化的 24 个碱基的单链 DNA 就能实现 DNA 引导的基因组编辑,该文章报道的结果确实为基因编辑技术的发展带来了一个崭新的思路。 Argonaute 蛋白模型 (Laguna Design/SPL, ) 近日,南京大学医学院附属金陵医院的周国华教授、南京大学模式动物所的赵庆顺教授和朱敏生教授及他们的团队在 GenomeBiology 上报道了基因编辑的又一个全新的方法 ,结构引导的核酸内切酶技术 SGN(structure-guided endonuclease) 。这一新方法的突破在于,不同于以往的 ZFN,TALEN, CRISPR-Cas, 甚至 NgAgo 等技术, SGN 不受靶标序列限制。 SGN 中包含识别 3 ’ flap 结构的内切酶 FEN-1(flapendonuclease-1) 和能够切割 DNA 链的 Fok I (Fn1) 的切割结构域,人工合成的引导 DNA(guide DNA) 能够和靶标序列形成 3 ’ flap 结构,该结构被 SGN 识别并结合后, SGN 就可以对任何想要进行编辑的靶标 DNA 进行剪辑。 推测 SGN 产生大片段 DNA 删除的机制 (Xu et al.,2016 ) 在 GenomeBiology 同期配发的 ResearchHighlight 中, NIH 的 Shawn MBurgess 教授总结了 SGN 的三个关键特征, 1.FEN-1 与 FokI 切割结构域形成的融合蛋白( SGN )可以通过利用 DNA 寡聚体(向导 DNA )去靶向突变特定基因位点。 2. 这种靶向突变方式倾向于产生大片段 DNA 的删除,删除片断可达几百至几千个碱基对。 3. SGN 在斑马鱼胚胎中已显示出效果,表明这种基因编辑技术在模式动物中具备可行性。 Burgess 教授还宣称 ,在基因编辑上, SGN 是一个令人激动的新选择,因为 SGN 非常灵活、简便,并且具有删除大片段 DNA 的潜力。这对于想要通过灭活某个基因以达到基因治疗或遗传改良效果的研究者来说,无疑是一大喜讯。此外,大片段 DNA 删除还可以防止在研究中出现的假阴性。 本文通讯作者。左起:周国华、赵庆顺、朱敏生(图片来自官网) 相较于评论专家及领域内研究者们的兴奋,该文章的作者们却表现得相当平静,赵庆顺教授对中国生物物理学会的采访者表示,这一项新技术才刚刚起步, SGN 在很多方面都需要在后续工作中不断去优化和探索,他们已准备好质粒,欢迎更多的同行参与进来,共同推进 SGN 的完善与应用。 参考文献: Ledford H . Beyond CRISPR: A guide to the many other ways to edit a genome. (2016) Nature 536: 136–137, DOI:10.1038/536136b Ran FA , Cong L , Yan WX , et a l. In viv o genome editing using Staphylococcus aureus Cas9. (2015) Natur e 520: 186 — 191, DOI:10.1038/nature14299 Komor AC , Kim YB , Packer MS , et al. Programmable editing of a target base in genomic DNAwithout double-stranded DNA cleavage. (2016) Nature 533: 420 — 424, DOI: 10.1038/nature17946. Kim D, Kim J, Hur JK et al .Genome-wide analysis reveals specificities of Cpf1 endonucleases in human cells. (2016) Nat Biotechnol , 34: 863 — 868, http://dx.doi.org/10.1038/nbt.3609 Gao F , Shen XZ , Jiang F , et al . DNA-guidedgenome editing using the Natronobacterium gregoryi Argonaute. (2016) Nat Biotechnol 34:768 — 773, DOI: 10.1038/nbt.3547 Xu S, Cao S, Zou B, etal. An alternative novel tool for DNA editing without target sequencelimitation: the structure-guided nuclease. (2016) Genome Biol , 17: 186, DOI: 10.1186/s13059-016-1038-5 Varshney GK, Burgess SM. DNA-guided genome editing using structure-guided endonucleases . (2016) Genome Biol 17:187, DOI:10.1186/s13059-016-1055-4 更多BPSC1979微信公号【科研进展】原创文章,请点击: 9-7-16 PNAS〡南京大学石云研究组发现信号肽的新功能—编码谷氨酸受体的空间结构 7-28-16 美国科学家从小鼠中筛选到潜在防治寨卡病毒感染的特异性抗体 7-12-16 急性及陈旧性脊髓损伤患者的希望—中国自主研发的神经再生胶原支架 5-26-16 光合作用研究领域获重大进展—3.2 Å分辨率的菠菜光系统II(PSII)超级复合物结构 5-20-16 海内外华人学者共同Cell刊文:发现内质网钙库Ca2+释放的新通道CLAC! 5-19-16 重磅消息: 国内学者首次在单细胞水平上追踪造血干细胞(HSC)的形成 注:本文首发于中国生物物理学会微信公众号(ID:BPSC1979),转发 此处 已征得授权。
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Cell:诺奖得主利用CRISPR技术取得细胞研究新突破
热度 3 SciLondon 2016-8-22 16:53
( London-science.com 原创,网页转载请附带原文链接: http://www.london-science.com/archives/1425 ,微信转载请联系我们) Thomas Cech是美国科罗拉多大学的教授,因发现RNA的催化性质而获得1989年的诺贝尔化学奖。同时,他也致力于DNA端粒的研究,并第一个发现了端粒酶的逆转录酶(TERT)。最近,他利用两项最先进的分子生物学技术-CRISPR基因编辑和单分子活细胞成像(Single-molecule live cell imaging),在端粒研究上又取得了重大突破。 Thomoas Cech的研究小组在历史上首次观测到了端粒/端粒酶之间的动态交互,并提出了最新的端粒酶运转机制模型。这项研究被刊登在Cell上。 研究背景 长期以来,端粒的研究都集中在两个核心问题: 端粒酶如何寻找染色体末端?端粒酶如何促进端粒进行延长? 然而,受到成像方法的局限,这些研究只能在细胞的固定(fixed)形态下进行观测,包括使用荧光原位杂交(FISH)和SNAP标记的方法。在这种条件下,细胞都是“死”的,就如同在整个电影中选取定格画面,研究结论自然不够全面。近年来,单分子活细胞成像技术得到了很大发展,为研究分子层面的细胞活动提供了支持。这种基于光阵列的技术可以实时呈现活体细胞内部的影像。不过,利用这种技术来研究端粒酶,依然存在一个障碍:端粒酶的表达量过低,导致无法观测。如果采用过量表达的方法来提高端粒酶的含量,又会迫使所有端粒酶都结合到染色体末端,破坏了自然形态下的运作机理。 Thomas Cech的团队利用当下最热门的CRISPR技术(关注这项技术的介绍,请点击这里: 五分钟看懂CRISPR-Cas9 ) ,完美的跨越了这个障碍: 使用CRISPR-Cas9编辑端粒酶及其相关蛋白的基因,将强力的荧光蛋白基因与目标基因融合。这样一来,荧光蛋白可以提供足够的信号,便能在自然状态下观测细胞中端粒酶的活动了。 研究过程 首先, 他们使用了CRISPR-Cas9,把荧光标签DNA插入到三种端粒酶相关蛋白的基因中,构造出三种不同的荧光蛋白,并在HeLa细胞中表达 (癌细胞的端粒酶活性不受抑制): 1. 端粒酶复合物中的TERT使用HaloTag来标记,发出 红色 荧光 2. 端粒上的TRF2蛋白使用mEOS3.3来标记,在不同波长下发出 绿色 或 红色 荧光 3. Cajal Body中的Colin蛋白使用BFP标记,发出 蓝色 荧光 随后,他们用单分子活体细胞成像来追踪端粒酶在细胞核中的活动路线,以及与其它两者的相互作用。 图片来源:Schmidt et al.(2016).Cell. 在动力学分析,荧光杂交等其它手段的协助下,他们获得了一些关于 端粒酶运转机制的重大发现 : 1. 传统研究认为,端粒酶仅在细胞分裂的S期比较活跃,大部分端粒酶以固定态都存储在Cajal Body中。然而,这次的研究结果显示,实际上绝大多数端粒酶都以游离态散布在核仁之外的细胞核质中。端粒酶会在细胞核的中迅速进行三维空间中的扩散,来寻找端粒并与之结合。 2. 总体来说,端粒酶存在三种不同的状态:移动性最强的游离态,移动性较差的Cajal Body结合态,以及与端粒的结合态。 3. 端粒酶与端粒的结合存在两种不同的状态:一种是短暂的,弱效的结合,而另一种则是长期稳定的结合。 4. 端粒酶/端粒的动态交互,需要端粒酶TERT蛋白与端粒蛋白TPP1的相互作用来作为媒介。 最后,他们 提出了一个 崭新的端粒酶的运作模型 ,很好地解释了前文提到的两个核心问题。这个模型共分为三个步骤: 1. 端粒酶在细胞核内进行三维扩散,搜索端粒。 2. 作为媒介,TERT蛋白会与TPP1蛋白结合-这使得端粒和端粒酶在S期进行大量的短暂不稳定结合(作用时间小于1秒,S期进行上千次)。这种“探测”式的结合,并不会构成稳定的最终形态。 3. 只有当端粒和端粒酶的结合处位于DNA末端时(暴露出3’单链DNA,即需要延长的位点),稳定的结合才会形成,端粒得以进行下一步的延长。形成稳定的结合是一个缓慢的过程。“探测”活动的进行会使3’单链处的端粒酶浓度上升,从而促进稳定结合的形成。 同时,基于该模型的估算,在人体细胞中,端粒酶可以在S期添加50-200个核苷酸到端粒上。而端粒的缩短速度是每个细胞周期减少50个。端粒酶完全有能力承担端粒修复的任务。 研究意义 端粒酶和端粒,是调控细胞增殖的核心机制。细胞的生死,很大程度上掌握在端粒酶的手中。 细胞在进行有丝分时,滞后链(lagging strand) 需要通过合成冈崎片段来完成-这就许多RNA引物(RNA primer)作为引导。然而,当复制进行到滞后链的末端时, 由于缺少RNA引物,导致最后一小段DNA无法被复制。因此,第二代DNA总是会比第一代短 。 这肯定是不利于遗传物质保存的,所以真核动物进化出了端粒来保护DNA缩短的问题-由TTAGGG重复片段组成的DNA末端区域。端粒酶会将这些片段在DNA合成结束时添加到新的子链上。这样一来, 每次被缩短的其实就是端粒片段-由于这些是非转录DNA,所以不会对整个基因组产生影响,同时也保护的染色体的稳定性。 然而,端粒酶并不能无限制的修复端粒。研究表明,由于在正常细胞中端粒酶的活性被抑制,所以修复速度远远跟不上损耗速度,端粒依旧会缩短,直到无法保护DNA-这也就达到了细胞繁殖的极限:Hayflick limit。对于人体细胞来说,经过40-60次分裂,端粒就会彻底失去保护作用,从而进入细胞凋亡的过程。然而, 对于癌细胞来说,这个界限却不存在。端粒酶不会受到抑制,从而无限制的修复端粒,使细胞获得永生性。 如果能抑制端粒酶的活性,就可以十分有效地抑制癌细胞的增殖 。但是,由于对端粒酶的工作机理缺乏全面的认知,世界上还没有高效的端粒酶抑制因子。如今,Thomas Cech的研究为新型抗癌药物又点亮了希望之光- 这个新的动态模型可以帮助科学家们鉴别出最有效的端粒酶抑制因子,并筛选出潜在的抗癌药物。 同时,Thomas Cech也指出,这项CRISPR与活细胞成像技术的完美结合,也为显微学提供了非常有价值的参考。 不仅仅在端粒研究领域, 其他领域的科学家们也可以利用这种组合技术来探索更多分子生物学的运作机理,比如不同蛋白间的动态交互。 这种研究方法有希望帮助科学家们解开更多分子生物学研究的难题。 参考资料: Schmidt et al., Live Cell Imaging Reveals the Dynamics of Telomerase Recruitment to Telomeres, Cell (2016).
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【Nature头条】重复和嘲弄:关于NgAgo基因编辑的争议正在激化
热度 11 SciLondon 2016-8-9 12:35
(本文是 London-science.com 原创翻译,网页转载请附带原文链接: http://www.london-science.com/archives/1385 ,微信转载请联系我们。) 当一项基因编辑技术被提出用作CRISPR-Cas9系统的替代品,关于它能否实际起效的争议正在逐步升温。 三个月之前,韩春雨,一位河北科技的大学的生物学家,在论文中报告了NgAgo酶可以被用作哺乳动物的基因编辑。如今,越来越多的科学家们正在抱怨韩春雨的研究结果无法被重复-尽管其中有一位已经告知Nature他可以重复。 韩春雨称自己每天都收到众多骚扰电话和短信,嘲笑他并声称他的科研事业已经“完蛋了”-但他自己深信,这项技术是有效的。 他也告诉Nature,在8月8日,他已经向基因信息库Addgene提交了一份详尽的实验手册。他希望这会帮助人们重复出自己的实验结果。作为刊登这项研究的杂志,Nature Biotechnology已经开始了调查行动。 赌注是很高的。在过去的几年里,CRISPR-Cas9系统已经彻底转变了生物学。但是,这项技术的出现也让许多科学家渴望探寻其它的方法,来扩展基因编辑的“工具包”:NgAgo就是其中之一。“我们当中许多人都非常支持这项技术,并希望它能有效工作。”来自哈佛医学院的遗传学家乔治.丘奇如是说。 CRISPR-Cas9利用一小段遗传序列来指引酶在指定的位置剪切DNA(CRISPR的原理请参考历史文章: 五分钟看懂CRISPR技术 )。受到启发的韩教授查阅了其它”基因剪刀”蛋白相关的文献,找到了一个名叫Argonaute(Ago) 的蛋白家族,刚好能满足要求。其他研究者曾标注这些蛋白是很有潜力的基因编辑工具。 在论文中, 韩教授的团队报告了利用多种遗传序列来引导Ago家族中的一员-NgAgo,编辑了人体细胞中8种不同的基因,并在染色体指定位点插入了多个基因 【1】。 最关键的是, NgAgo可以极具特异性的剪切目标基因 ,韩教授说,这不像CRISPR-Cas9,有时会编辑错误的基因。另外,韩教授补充道,CRISPR-Cas9需要在剪切位点附近存在一小段特定的DNA序列,才能够激发剪切酶的活性。NgAgo却不需要,这意味着它可以在更广阔的范围里被应用。 在中国,人们对于这项研究最初的反应是赞美之词溢于言表,甚至连CCTV都对韩教授的实验室进行了探访。这种效应势不可挡,韩教授说。而他却是一个隐居式的人物-他的爱好包括品茶和弹古琴。他不喜欢旅行,并从未离开过中国:在今年3月去杭州拜访一位合作者,42岁的韩春雨终于第一次登上了飞机。在他的论文发表之前,“我一点都不知情”,韩教授在接受Nature的采访时说。 对这项研究最初的质疑在今年7月初浮现。 一位因“科学打假”而出名的前生物化学家方是民(方舟子),在他的网站《新语丝》(xys.org)上写道:他了解到许多重复这项研究的努力都失败了,并断言韩教授的论文是无法重复的。在许多中国网站上,批评者的数量与日俱增(关于方舟子的言论,请参考历史文章: 科研风波再起:方舟子公开叫板韩春雨 )。 方舟子在网站上发布文章断言,韩春雨的论文无法重复 在7月29日,澳洲国立大学的遗传学家Gaetan Burgio在他的博客上发表了关于他未能重复这项实验的详尽细节。 这项争议也随之走向了世界 【2】。在通常情况下,他的博文只有几十次点击,而这一篇却超过了5000次点击。 遗传学家Gaetan Burgio在博客上公布了他重复失败的细节 在同一天,西班牙国家生物技术中心的遗传学家Lluís Montoliu,给他在国际转基因技术协会(ISTT)的同事们发了Email,推荐他们“ 放弃任何涉及使用NgAgo技术的项目 “,以便”避免时间,金钱,实验动物和人力的浪费”。这份Email被泄露了出来,并被刊登在方舟子的网站上。 Lluís Montoliu建议他的同事放弃所有涉及NgAgo的项目 在这之后,英国爱丁堡MRC再生医学中心的分子生物学家Pooran Dewari做了一个在线调查,他发现 仅仅有9名科学家声称他们重复出了 NgAgo 的研究成果,而有97人声称他们无法重复 【3】。 在一个在线交流小组中,最初声称成功重复NgAgo结果的两位研究人员现在出面澄清: 他们其实是搞错了 。 来自印度CSIR-Institute of Genomics and Integrative Biology的分子生物学家Debojyoti Chakraborty表示,他成功重复出了韩教授论文中的一个实验环节,即利用NgAgo去敲除导入到细胞中的荧光蛋白基因。当使用NgAgo后,荧光度减弱,所以他认为是NgAgo成功抑制了基因的表达(即定点编辑了基因)。然而,当他对DNA进行测序后,他没有发现任何NgAgo能够进行基因编辑的证据。现在,他声称 荧光减弱一定是由于某些其它因素导致的。 Jan Winter是一名在德国癌症研究中心学习基因组学的phD学生,他也表示自己有过相似的经历。他说:“我会在接下来的几周重新尝试这项实验,但目前为止我感觉它不会有效。” 韩教授表示,他只能利用自己实验室培养的细胞来保证NgAgo系统的有效性-他曾购买过细胞进行实验,同样不起作用。随后, 他发现在购买的细胞中含有支原体污染。所以,他认为其他人使用的细胞可能存在同样的问题。 他也补充道,一些学生做实验太匆忙,并且使用试剂时不够谨慎 。对于这种观点,Jan Winter并不赞同:“我不认为这是无法做出结果的科学家们存在的问题。”(关于韩春雨的观点,请参考历史文章: 韩春雨回应方舟子质疑 ) 一位独立于韩教授的研究小组,并且不愿透漏姓名的中国研究人员告诉Nature,他已经在多种细胞中测试过NgAgo系统,并且发现 NgAgo能够在指定基因位点引入突变-这些发现也得到了测序结果的证实 。他也补充道,相对于CRISPR-Cas9来说,这个系统的效率是比较低的,并且需要一定调整来提高效率。“但是,总之,它是有效的!”他说。 还有两位匿名的中国科学家声称, 他们已经初步得到了NgAgo的有效结果,但仍需等待测序结果的证实。 “它也许,也许能有效。”Gaetan Burgio表示,“即便如此,它的挑战性也太大了,甚至是不值得去尝试。 它绝对没有希望能够超越CRISPR技术 。” NgAgo的失败“将会令人失望,但会留给我们一项额外工作,去探索是否其它Argonaute系统可以进行有效的基因编辑。”来自荷兰瓦赫宁恩大学的微生物学家John Van der Oost表示。他在2014年关于Argonaute蛋白的研究为NgAgo应用于基因编辑奠定了基础【4】。 本周,Nature Biotechnology给Nature的新闻团队发了一份声明,表示“多位研究人员”已经联系过杂志社,声称自己无法重复试验结果。另外,“ 杂志社将按照规定的流程来调查这些问题 。” 河北大学表示他们会在一个月之内要求韩春雨重复这项试验,这样一来就能够通过第三方独立机构来验证试验结果了【5】。 本文是ScienceLondon的原创翻译,原文地址: http://www.nature.com/news/replications-ridicule-and-a-recluse-the-controversy-over-ngago-gene-editing-intensifies-1.20387 相关资料: 【1】Gao F, Shen X Z, Jiang F, et al. DNA-guided genome editing using the Natronobacterium gregoryi Argonaute . Nature biotechnology, 2016. 【2】 https://medium.com/@GaetanBurgio/my-experience-with-natronobacterium-gregoryi-argonaute-ngago-3ed8909b410c#.hymcfsu9a 【3】 http://blog.addgene.org/google-forums-round-up-first-impressions-of-ngago 【4】Swarts D C, Jore M M, Westra E R, et al. DNA-guided DNA interference by a prokaryotic Argonaute . Nature, 2014, 507(7491): 258-261. 【5】 http://news.xinhuanet.com/english/2016-08/03/c_135561295.htm
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基因编辑-2016年不能错过的重大事件
热度 1 xiang1838 2016-8-7 10:28
作者:王小乐 来源:生物医药行业动态(Biomed24) 公司 过去半年里,以 CRISPR/Cas9 技术为基础的,最出名的 3 家基因编辑公 Editas Medicine , Intellia Therapeutics 和 CRISPR Therapeutics 分别在资本市场获得了骄人成绩, Editas 和 Intellia 成功 IPO ,登陆纳斯达克; CRISPR 顺利完成 B 轮 3800 万美元融资,并且获得拜耳 3 亿美元的投资。 Editas Medicine 融资市值 : 2016 年 2 月, Editas Medicine 在纳斯达克( Nasdaq )成功 IPO ,融资 9440 万美元。以 2016 年 8 月 6 日股价计算, Editas Medicine 目前市值维持在 9 亿美元左右。 关键人物:张锋、 Jennifer Doudna 、 George Church 目标疾病:勒伯尔氏先天性黑蒙 (LCA) 、血液类疾病、肿瘤免疫疗法( CAR-T ) 合作企业: Juno Therapeutics Intellia Therapeutics 融资市值: 2016 年 5 月, Intellia Therapuetics 在纳斯达克成功 IPO ,融资 1.08 亿美元。以 2016 年 8 月 6 日股价计算, IntelliaTherapuetics 目前市值维持在 7.24 亿美元左右。 关键人物: Jennifer Doudna 目标疾病:甲状腺素蛋白淀粉样变性、α 1- 抗胰蛋白酶缺乏症、乙肝、血液干细胞移植、肿瘤免疫疗法( CAR-T ) 合作企业:诺华、 Regeneron CRISPR Therapeutics 融资市值: 2016 年 7 月, CRISPR Therapeutics 宣布完成 B 轮 3800 万美元融资。迄今为止该公司总融资额已达 1.4 亿美元。 关键人物: EmmanuelleCharpentier 目标疾病:囊肿性纤维化、失明、血液病及先天性心脏病等 合作企业:拜耳 、 Vertex 技术革新 Cas9 酶是 CRISPR 基因编辑技术的关键点。 2015 年 Editas 的创始人张峰在著名杂志《 Cell 》刊登文章表示发现了比 Cas9 酶更具有优势的替代物 Cpf1 。 半年以来, CRISPR 技术革新的焦点无疑是 2016 年 5 月由河北科技大学韩春雨团队刊登在《 Nature Biotechnology 》的研究成果:发现了 CRISPR 基因编辑技术中关键酶 Cas9 的替代物 NgAgo 。文章表示以 DNA 为导向的 NgAgo 酶比 Cas9 酶更具有优势,而且特异性更高。 然而质疑声不断。澳大利亚国立大学的 GaetanBurgio 、西班牙国立生物技术中心的 LluisMontoliu 均表示无法重复该实验。 8 月 2 日,《 Nature Biotechnology 》发言人表示:“将按照既定流程来调查此事。” 各国政策和临床应用 CRISPR 基因编辑技术在为基因研究和疾病治疗带来便利的同时,也带来了巨大的伦理道德和安全性争议。 2015 年中山大学黄军领导的研究团队在《 Protein Cell 》上发表编辑人类胚胎的论文,引起了巨大争议。尽管如此,多数国家已经在有限范围内批准基因编辑的临床应用。 2016 年 2 月,伦敦 Francis Crick 研究中心的 Kathy Niakan 团队成功获得了英国人类胚胎和受精监管局 (HFEA) 科研监管许可。该团队将应用 CRISPR/Cas9 技术对健康的人类胚胎进行基因编辑。这是基因编辑领域的全球第一个国家级许可。 2016 年 4 月,日本生命伦理专门调查委员会宣布:允许日本相关机构在基础研究中“编辑”人类受精卵的基因,但出于安全和伦理方面的考虑,不允许将该技术应用到临床和辅助生殖中。 2016 年 6 月,美国国立卫生研究所( NIH )的咨询委员会批准了 Juno Therapeutics 公司的一项人体基因编辑临床试验。研究人员计划利用 CRISPR 技术编辑一名癌症患者的免疫细胞。同时,研究人员希望通过此次试验了解 CRISPR 技术在癌症治疗中的效果以及人体免疫系统对于来自于细菌的 Cas9 酶的免疫反应。这项试验目前还需要美国 FDA 和伦理委员会的批准。 2016 年 7 月,中国四川大学华西医院宣布获得医院伦理委员会批准,最快于下个月针对肺癌患者开展基因编辑治疗。该团队计划利用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术修饰的细胞来治疗肺癌患者。此次试验有望成为全球首例 CRISPR 基因编辑人体试验。 其他应用 2016 年 4 月,利用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术得到的工程化蘑菇已经在美国开始种植并且售卖。美国农业部目前并没有对这一行为进行管制。。这种新型的 CRISPR-Cas9 基因编辑蘑菇因为并不含有来源于病毒或细菌之类“植物有害生物”的外源 DNA ,因此不在美国农业部监管程序范围之内。这种被基因编辑过的白色双孢菇( Agaricus bisporus )获得了抗褐变的能力。在过去 5 年里,大概有 30 种转基因生物避开美国农业部监管系统的,其中很多都是利用基因编辑技术产生的。 CRISPR 被誉为和 PCR 技术同等分量的技术发明。该技术的三位核心人物张锋、 JenniferDoudna 和 Emmanuelle Charpentier 更是被视作诺贝尔生理学或医学奖的热门人选。 2016 年 3 月,三位大神与其他四位科学家同获加拿大盖尔德纳奖。但是围绕 CRISPR 技术专利的争夺战仍在继续,不排除三位大神以后法庭见面的可能。 颁奖台见了,法庭再见的画面一定很美。
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【头条】中国或将实行全球首例CRISPR人体临床试验!
热度 11 SciLondon 2016-7-22 11:53
【头条】中国或将实行全球首例CRISPR人体临床试验! ( London-Science.com 原创,未经许可,禁止转载。原文: http://www.london-science.com/archives/1046 ) CRISPR技术作为一项潜力无限的基因编辑技术,一直是世界科研的焦点。科学家们正在努力寻找利用CRISPR技术治疗人类疾病的方法。早在今年6月,首个用于人类的CRISPR治疗方法就在美国通过了伦理和安全委员会的审查:使用CRISPR技术改造免疫细胞的基因,以抵抗三种癌症。Editas Medicine、宾州大学等多个公司和大学都计划开展这项临床试验。然而,由于额外的FDA审批流程,这项临床试验最早要在2016年底(或2017年初)才行开始实施【1】。 但是,就在昨天(7月21日),Nature传来重磅新闻: 在今年8月份,中国科学家将率先开展世界首个CRISPR人体临床试验!这项人体试验将由四川大学华西医院的卢铀教授领导,计划改造免疫细胞,并注射入病人体内,以治疗非小细胞肺癌。卢铀教授介绍说,经过长达半年的审批,这项临床试验终于在7月6日得到了通过,八月份将正式开展。 据Nature报道,卢铀教授的团队将招募一些特殊的非小细胞肺癌患者-癌症已扩散,并且化疗、放疗以及其他治疗方式均无效。“现有治疗手段对这些患者十分有限”卢教授说,“这项技术有望给他们带来极大的益处,尤其是那些我们每天医治的患者。” 卢教授的团队会从招募患者的血液中提取一种免疫细胞-T细胞,随后使用CRISPR-Cas9技术敲除掉编码PD-1蛋白的基因-这种蛋白通常负责调控免疫反应的发生,以避免这些改造后的免疫细胞攻击人体正常细胞。经过基因编辑的T细胞会在试验室内进行增殖,随后将被重新注入患者的血液系统。卢教授的团队希望这种经过改造的T细胞将随着血液循环,最终定位到癌细胞,并杀伤它们( 关于CRISPR技术,请参考: 五分钟看懂CRISPR/Cas技术 )。 其实,早在去年FDA就批准了利用抗体来抑制PD-1的肺癌疗法。然而抗体的抑制效果却很难被预测【2】。相反,敲除PD-1编码基因是一种确定性很强的抑制方法。来自Memorial Sloan Kettering Cancer Center的Tommy Chan教授说:“它(CRISPR技术)将比抗体更有威力!” 然而,CRISPR基因编辑技术可能会存在脱靶效应(错误的基因被改造),对人体有潜在的危害。因此,成都美杰赛尔生物科技有限公司(MedGenCell)将参与到这次项目中,验证基因敲除的准确性。 Tommy Chan教授也指出了这次试验的其它风险:由于T细胞涉及许多非特异性免疫反应,这种方法有可能引发过度的自身免疫反应,使免疫细胞攻击正常组织器官。他建议,从肿瘤病灶出获取T细胞-因为这些细胞经过分化,会特异性攻击癌细胞。卢教授的团队表示,病灶处的肿瘤细胞没有那么容易能获取,并且,结合之前来自FDA许可的抗体疗法的数据,他们发现自身免疫出现的几率并没有明显增加。 本次一期临床试验的目的是为了验证这种疗法的安全性。 卢教授的团队将招募10名志愿者,从单个患者开始试验,并以最低的剂量开始,测试3种不同剂量在10名患者之中的效果。团队将密切监测这次试验的副作用,并及时从患者血液中获取肿瘤标志物,对疗效进行检查。 这次临床试验引发了全球的广泛关注。来自日本北海道大学的学者Tetsuya Ishii感叹说:“中国一向以快速进步而闻名-不过有时候真的是太快了!” 卢教授表示,他们的快速突破,得益于他们在临床试验和癌症治疗领域的丰富经验。 同时,宾州大学的Carl June教授对于中国的这次研究突破并不惊讶: “中国是一个高度重视生物医学研究的国家。” Tetsuya Ishii表示,如果这次临床试验被成功执行,中国将保持一系列CRISPR领域”No.1”的记录:第一个CRISPR编辑的人类胚胎,以及第一个CRISPR编辑的猴子都在中国诞生。 “我希望我们是第一个“卢教授说,”更重要的是,我希望我们的临床试验能够取得正向的结果。” 卢教授简介: 卢铀,男,教授,博士生导师,华西医科大学肿瘤科硕士。2001-2005年美国宾夕法尼亚大学医学院。人类基因治疗研究所博士后。华西医院海外引进人才。长期从事肿瘤放疗,放化疗及肿瘤生物治疗的基础和临床研究。在国内率先开展非小细胞肺癌和食管癌的交替放化疗临床研究。在DNA肿瘤疫苗和病毒载体基因治疗领域进行了前沿性研究。主要对肺癌,鼻咽癌,乳腺癌和大肠癌等中晚期肿瘤的综合治疗累积了丰富的临床经验。发表论文40多篇,国家发明专利1项。作为主研参与国家自然科学基金上项目及重点项目,国家863计划,国家973项目等多项课题,现主持国家863计划资助肿瘤研究子课题1项。 Nature报道: http://www.nature.com/news/chinese-scientists-to-pioneer-first-human-crispr-trial-1.20302 【1】 https://www.statnews.com/2016/06/21/crispr-human-trials/ 【2】 http://www.cancerresearch.org/cancer-immunotherapy/impacting-all-cancers/lung-cancer
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【热点科普】五分钟看懂CRISPR/Cas技术
热度 2 SciLondon 2016-6-10 12:21
【热点科普】五分钟看懂CRISPR/Cas技术 ( London-Science.com 原创,未经许可,禁止转载。原文: http://www.london-science.com/archives/220 ) 前言 6月2日,Science杂志发表了关于CRISPR技术的突破性成果,确定了一个靶向RNA而非DNA的新型CRISPR系统特征。来自麻省理工学院-哈佛大学Broad研究所、麻省理工学院、美国国立卫生研究院、罗格斯大学新布朗斯维克分校和俄罗斯Skolkovo理工学院的研究人员共同取得了这项研究成果,拥有“CRISPR/Cas之父”之称的著名科学家张锋也是这项研究的主导者之一。这再次让CRISPR技术成为了人们瞩目的焦点(最新论文PDF请见附件 abudayyeh2016.pdf ) CRISPR/Cas这项明星技术自问世以来,已经吸引了无数欢呼和掌声。在短短两三年之内,它已经成为了生物科学领域最炙手可热的研究工具,并有近700篇相关文献发表。CRISPR/Cas技术的先驱者们,包括张锋以及两位美女科学家珍妮弗·杜德娜和艾曼纽·夏邦杰,更是获得了众多荣誉和奖项。 那么,获得科研人员们如此青睐的CRISPR/Cas技术究竟是什么?它的原理是怎样的?张锋博士的新突破又是什么?本文将带您快速了解CRISPR/Cas技术的原理与应用。 CRISPR/Cas技术是什么? CRISPR/Cas系统是一种原核生物的免疫系统,用来抵抗外源遗传物质的入侵,比如噬菌体病毒和外源质粒。同时,它为细菌提供了获得性免疫:这与哺乳动物的二次免疫类似,当细菌遭受病毒或者外源质粒入侵时,会产生相应的“记忆”,从而可以抵抗它们的再次入侵。CRISPR/Cas系统可以识别出外源DNA,并将它们切断,沉默外源基因的表达。这与真核生物中RNA干扰(RNAi)的原理是相似的。正是由于这种精确的靶向功能,CRISPR/Cas系统被开发成一种高效的基因编辑工具。在自然界中,CRISPR/Cas系统拥有多种类别,其中CRISPR/Cas9系统是研究最深入,应用最成熟的一种类别。CRISPR/Cas9是继锌指核酸内切酶(ZFN)”、“类转录激活因子效应物核酸酶(TALEN)”之后出现的第三代“基因组定点编辑技术”。凭借着成本低廉,操作方便,效率高等优点,CRISPR/Cas9迅速风靡全球的实验室,成为了生物科研的有力帮手。在TALEN和ZFN的时代,科学家们往往要花费重金,把基因编辑工作交给生物公司。而现在,在实验室里,人们就可以使用CRISPR/Cas9技术轻松的实现基因编辑。 CRISPR/Cas9如何工作? CRISPR簇是一个广泛存在于细菌和古生菌基因组中的特殊DNA重复序列家族,充当了防御外源遗传物质的“基因武器”。CRISPR全称Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats—成簇的规律间隔的短回文重复序列,分布在40%的已测序细菌和90%的已测序古细菌当中。图1展示了完整的CRISPR位点的结构。其中,CRISPR序列由众多短而保守的重复序列区(repeat)和间隔区(spacer)组成。重复序列区含有回文序列,可以形成发卡结构。而间隔区比较特殊,它们是被细菌俘获的外源DNA序列。这就相当于细菌免疫系统的“黑名单”,当这些外源遗传物质再次入侵时,CRISPR/Cas系统就会予以精确打击。而在上游的前导区(leader)被认为是CRISPR序列的启动子。另外,在上游还有一个多态性的家族基因,该基因编码的蛋白均可与CRISPR序列区域共同发生作用。因此,该基因被命名为CRISPR关联基因(CRISPR associated,Cas)。目前已经发现了Cas1-Cas10等多种类型的Cas基因。Cas基因与CRISPR序列共同进化,形成了在细菌中高度保守的CRISPR/Cas系统。 图1:CRISPR位点结构图 那么,CRISPR序列是如何与Cas蛋白配合来执行防御功能的呢?整个过程大体分为3步。 1.外源DNA俘获:“黑名单”登记 简单来说,CRISPR/Cas系统在这一步实现了一个“黑名单登记”功能。序CRISPR/Cas系统将识别出入侵者的“名字”(PAM)并找到它的“身份证”(原间隔序列),然后把入侵者身份信息作为“档案”(间隔序列)记录到“黑名单”(CRISPR序列)中。图2展示了第一阶段的工作原理。当噬菌体病毒首次入侵宿主细菌,病毒的双链DNA被注入细胞内部。CRISPR/Cas系统会从这段外源DNA中截取一段序列作为外源DNA的“身份证”,然后将其作为新的间隔序列被整合到基因组的CRISPR序列之中。因此,这段与间隔序列对应的“身份证”被称为原间隔序列(protospacer)。然而,“身份证”的选取并不是随机的。原间隔序列向两端延伸的几个碱基都十分保守,被称为原间隔序列临近基序(protospacer adjacent motif,PAM)。PAM通常由NGG三个碱基构成(N为任意碱基)。病毒入侵时,Cas1和Cas2编码的蛋白将扫描这段外源DNA,并识别出PAM区域,然后将临近PAM的DNA序列作为候选的原间隔序列。随后,Cas1/2蛋白复合物将原间隔序列从外源DNA中剪切下来,并在其他酶的协助下将原间隔序列插入临近CRISPR序列前导区的下游。然后,DNA会进行修复,将打开的双链缺口闭合。这样一来,一段新的间隔序列就被添加到了基因组的CRISPR序列之中。 图2:第一阶段:外源DNA俘获 2. crRNA合成:”军火“制造 战争总需要武器,CRISPR/Cas系统也要制造足够的”军火“来打击入侵者。目前的研究表明,CRISPR/Cas系统共有三种方式(Type Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)来制造”军火“。CRISPR/Cas9系统属于Type Ⅱ,是目前最成熟也是应用最广的类型。因此,图3将重点介绍CRISPR/Cas9的原理。当入侵者到来,CRISPR序列会在”指挥官“(前导区)的调控下转录出两种“军火材料”:pre-CRISPR-derived RNA (pre-crRNA)和trans-acting crRNA(tracrRNA)。其中,tracrRNA是由重复序列区转录而成的具有发卡结构的RNA,而pre-crRNA是由整个CRISPR序列转录而成的大型RNA分子。随后,pre-crRNA,tracrRNA以及Cas9编码的蛋白将会组装成一个小型“兵工厂”。它将根据入侵者的类型,选取对应的“身份证”(间隔序列RNA),并在RNase Ⅲ的协助下对这段间“身份证”进行剪切,最终形成一段短小的crRNA(包含单一种类的间隔序列RNA以及部分重复序列区)。crRNA,Cas9以及tracrRNA组成的复合物,就是最终的“战斗武器”。 图3:第二阶段:crRNA合成 3.靶向干扰:强大火力,精确打击 武器已经制造完成,战争就要打响。图4展示了靶向干扰的过程。Cas9/tracrRNA/crRNA复合物就像是一枚制导导弹,可以对入侵者的DNA进行精确的打击。这个复合物将扫描整个外源DNA序列,并识别出与crRNA互补的原间隔序列。这时,复合物将定位到PAM/原间隔序列的区域,DNA双链将被解开,形成R-Loop。crRNA将与互补链杂交,而另一条链则保持游离状态。随后,Cas9蛋白发起猛烈攻势,其HNH酶活性将剪切crRNA互补的DNA链,而其RuvC活性位点将剪切非互补链。最终,Cas9强大的火力使双链断裂(DSB)形成,外源DNA的表达被沉默,入侵者被一举歼灭。 图4:第三阶段:靶向干扰 如何应用CRISPR/Cas技术? CRISPR/Cas是进行基因编辑的强大工具,可以对基因进行定点的精确编辑。在向导RNA(guide RNA, gRNA)和Cas9蛋白的参与下,待编辑的细胞基因组DNA将被看作病毒或外源DNA,被精确剪切。但是,CRISPR/Cas9的应用也有一些限制条件。首先,待编辑的区域附近需要存在相对保守的PAM序列(NGG)。其次,向导RNA要与PAM上游的序列碱基互补配对。图5展示了最基础的两种CRISPR/Cas9技术应用。最基础的技术就是基因敲除。如果在基因的上下游各设计一条向导RNA(向导RNA1,向导RNA2),将其与含有Cas9蛋白编码基因的质粒一同转入细胞中,向导RNA通过碱基互补配对可以靶向PAM附近的目标序列,Cas9蛋白会使该基因上下游的DNA双链断裂。而生物体自身存在着DNA损伤修复的应答机制,会将断裂上下游两端的序列连接起来,从而实现了细胞中目标基因的敲除。如果在此基础上为细胞引入一个修复的模板质粒(供体DNA分子),这样细胞就会按照提供的模板在修复过程中引入片段插入或定点突变。这样就可以实现基因的替换或者突变。对受精卵细胞进行基因编辑,并将其导入代孕母体中,可以实现基因编辑动物模型的构建。随着研究的深入,CRISPR/Cas技术已经被广泛的应用。除了基因敲除,基因替换等基础编辑方式,它还可以被用于基因激活,疾病模型构建,甚至是基因治疗。 图5:CRISPR/Cas9技术应用 张锋博士的最新突破是什么? 这是一项复杂的研究,但是我们简单来说,研究人员们发现了一个新兴CRISPR系统。事实上,除了CRISPR/Cas系统,CRISPR系统的类型众多。Cas9仅仅是其中一类作用蛋白,CRISPR序列理论上还可以跟许多其它蛋白共同作用。但是长期以来,这些系统并未被验证可以进行有效的基因编辑。CRISPR/C2c2就是张锋博士的团队最新发现的可以被用作基因编辑的CRISPR系统。图6展示了这个系统的工作模型。这个系统的突破性意义就在于它可以在RNA级别进行编辑,而不是传统的DNA级别的编辑。该系统基本的工作流程与CRISPR/Cas9类似,还是借助CRISPR序列的”黑名单“系统对入侵者进行打击。但是crRNA形成的方式与CRISPR/Cas9系统不同。C2c2蛋白会与成熟的crRNA复合,在不借助tracrRNA的情况下与外源单链RNA结合,crRNA则会与PFS片段(类似PAM)附近的互补区域杂交。最后,外源单链RNA会被剪切,其基因表达也会被沉默。然而,被剪切的外源RNA有可能会触发宿主细胞RNA的剪切,从而引入宿主细胞凋亡机制。这种只靶向作用于RNA并协助执行基因组指令的能力能够让人们特异性地和高通量地操纵RNA,以及更加广泛地操纵基因功能。这有潜力加快理解、治疗和预防疾病的步伐。 张锋博士说,“C2c2为强大CRISPR工具的一个全新领域打开大门。对C2c2而言,它有大量的可能性,而且我们兴奋地将它开发为一种用于生命科学研究和医学的平台。” 图6:选自 C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector. Reference Cater, J. and Wiedenheft, B.(2015) .Snapshot:CRISPR-RNA-guided adaptive immune system. Cell.163(1): 260-260. Jackson, R.N., and Wiedenheft, B. (2015).A conserved structural chassis for mounting versatile CRISPR RNA-guided immune responses.Mol. Cell. 58, 722–728. Abudayyeh, O. O. et al.(2016). C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector. Science. aaf5573. 张锋Science文章:靶向RNA的新型CRISPR系统 http://www.ebiotrade.com/newsf/2016-6/201661155130939.htm 从基因编辑狗谈CRISPR/Cas9 http://www.bioon.com/trends/news/615569.shtml Ledford, H. (2015). CRISPR, the disruptor. Nature. 522(7554), 20-24.
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NgAgo 能够超越 CRISPR吗?——老外评论拾碎
热度 21 zhumengjin 2016-5-22 15:59
NgAgo 能够超越 CRISPR吗?不止国内,有些老外也比较关注这个问题。世界上做基因组编辑方法和应用的实验室,差不多都有CRISPR-Cas9的成熟技术平台。CRISPR-Cas9编辑系统是已得到大家承认的成熟基因组编辑工具,而且CRISPR技术的优势不可小觑,有大牛撑它,它的发展和完善几乎汇聚了全世界基因组编辑实验室的资源,过去几年的发展速度令人惊叹。NgAgo 能够后来居上,超越 CRISPR吗? 从写个人主观评论的数量上来看,国外对NgAgo 的关注,感觉上似乎并没有国内这么热。简单搜列了一下,发现大多数评论都是客观地描述文章的结果或平行介绍NgAgo 和 CRISPR原理,带有个人主观色彩的评论不是特别多。下面摘录、整理、加工一些带有个人主观色彩的评论。David在其评论中认为,这是一个有趣的编辑系统,文章也值得一读,对于编辑效率,虽然缺乏严格的比较,但从文章给出的信息来判断,NgAgo和Cas9在编辑效率上应该是同级别的,至于NgAgo 能否替代 CRISPR,仍不能确定,唯一能确定的是这绝不是基因编辑的最后进展。Paul在其评论中给出的答案是:从任何角度,暂时都没有可能——“not going to immediately race ahead of CRISPR…not yet any way”,但他不得不承认NgAgo确实引起了人们的高度关注。他援引了韩春雨文章总结的4个特点,如果诚如文章所述的4点,那么NgAgo可能会比CRISPR更简洁,而且按照韩文章图5,NgAgo编辑效率确实有点牛。不过,他认为因为CRISPR已有大量的文章支持,所以NgAgo仅凭这篇文章还远远不能说明问题,对NgAgo的定论还得需要更多的文章和数据。读起来让人隐隐觉得 有一种 “too good to be true”的酸味道。最后,他说让我们来围观吧,接下来的几个月肯定会有大量井喷的后续文章。 于是,围观的家伙们真的来了—— 路人甲——鹿死谁手,尚未可知,但大家要在公平的环境里竞争啊。(一看就是通晓业内潜规则的家伙,那么多做CRISPR的大牛,看来NgAgo的前景不妙啊,所以你们拉开场子打架可以,但要公平!公平!公平!) CRISPR的死忠也来了,针对韩文章总结的4点一一开展了抨击——我绝不是瞎掰啊,我是根据Betteridge’s law(该法则意思是对于任何以问号结尾的问题,都可以用no来回答)对NgAgo说no:(1)Church实验室的iPSC基因组测序结果说明CRISPR对错配也有Low tolerance,(2)误导(misguiding)?这是我听到基因组工程问题中最滑稽的命题,而且磷酸化的ssDNA那根本就不叫DNA好不好,那只能是看做对DNA破坏或感染,这两者(DNA damage 和DNA infection)对基因组操作来说都是不受欢迎的;(3)我从来不记得有人真正看到过sgRNA从Cas9中被替换出来,有木有?(4)谁说sgRNAs不好设计和合成?说这话的肯定是没做过基因组编辑的;(5)楼主你别帮人家瞎吹行不?我看图5中对HEK293T细胞的编辑效率低到不行,好不好? 路人乙——你不觉得这工具很牛掰,可以用来编辑成年人的基因么?(这脑洞开得有点大) 路人丙——你不觉得不需要PAM是个优点么?鄙人认为还未建立CRISPR平台的实验室和公司,选择NgAgo未尝不是一件好事。不过,从“前浪纷纷被后浪拍死的”节奏看,基因组编辑的发展速度令人眼花缭乱,NgAgo绝不会是最后的工具,我赌更好的工具最快年内就会出来。 你赌不?两本阁楼杂志! 路人丁——你们这些傻X,为什么非要从自然界中找酶基因,难道你们不知道人工设计的酶更牛掰N倍么?我坚信最后终结你们这些浪费纳税人钱的,一定是人工设计出来的酶。(很愤青的样子) 路人午——对于投资了大量时间和资源在CRISPR上面的,不会轻易转到NgAgo上面,除非碰到100%不能解决PAM问题的情况,可能会尝试一下NgAgo。(貌似比较理性) 路人X——5′-P ssDNA不能通过质粒产生,意味着不能用质粒或病毒传递,只能合成和转染,转染是不可控的,这是NgAgo的一个大问题。(貌似很专业的样子) .........
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投资需谨慎,Cas9不是一贴就灵的灵丹妙药
热度 1 yueleishen 2016-4-6 09:45
CRISPR/Cas9 技 术 的出 现 ,刺激了整个生物医 药 行 业 的投 资热 潮。似乎生物医 药 企 业 不做点基因 编辑 ,就落伍了。好多投 资 公司都在追 这 个基因 编辑 的大潮。但可以肯定的是, 这 不 过 是另一波 O2O 罢 了,大潮退去 时 ,会 发现 多数人 连裤 衩都没有。 基因 编辑 技 术 ,在很早以前就有了。最开始的 时 候,在 细 胞上做基因 编辑 是通 过 DNA 重 组 技 术 。从 7 、 8 年 前开始出现 ZFN ,然后是 TALEN ,再然后是 CRISPR / Cas9 。 实际 上 这 些新技 术的应用 在 原理上是一样的。简单化一些,通过设计,让这些核酸酶识别染色体上特定的 DNA 序列。将这些核酸酶引入到细胞内后,这些核酸酶会结合到染色体特定序列上并将染色体切断,于是理论上染色体也就不能复制了,所以细胞也就活不下来了。如果细胞要想活下来,染色体需要重新将断了的接头再重新连上。因为细胞内有大量的外切核酸酶,会在染色体段头处不断地降解 DNA, 所以,在染色体段头重新被连在一起之前,一般会丢失一些碱基。如果丢失 3N 个碱基,就少了一些氨基酸;如果少了 3N+1, 或 3N+2 个碱基,就会造成移码,也就是基因敲除。这就是最简单的基因编辑。 相信今后还会不断有类似的新技术出现。其实对于一个专业的基因编辑公司来讲,不管是传统技术、 ZFN 、 TALEN 、还是 Cas9 ,都没有什么太大的区别。比如利用 TALEN ,如果有了预成的组装模块,构建速度跟 Cas9 构建速度也没有什么大的区别。但对于普通实验室来讲,因为没有 TALEN 预装模块, Cas9 的构建就要简单得多,这也是为什么大家认为基因编辑走进了“千家万户”。因为概念热炒,投资公司也跟着疯狂。 我觉得, Cas9 技术有点像 PCR 技术。在 PCR 技术出现之前,做一个分子克隆非常耗时,也不是一般实验室可以做的,所以分子克隆就变得非常高大上。而 PCR 技术出现之后,分子实验一下子成了生物实验室的标配。但 PCR 技术只不过是加快了分子克隆的速度,而 PCR 技术本身不能让一个一般的实验室变成一个成功的实验室。一个实验室成功的关键是回答和解决什么重大问题。投资公司如果觉得 PCR 加快了分子克隆速度,就觉得利用 PCR 技术的公司都要发大财,最后很可能是黄粱一梦。 我以模式小鼠制备做一个例子。如果要制备一个基因敲进小鼠,需要: 1 )课题设计。这是根据一个基因本身的特性来设计的,需要对所研究的基因有深刻的理解,同时还可能涉及一些领域的专业知识,比如免疫学,神经科学。在设计的时候,要考虑到用什么品系的小鼠,打靶载体构建过程中要用到的各种材料以及分析方法,包括最终得到小鼠后的分析方法; 2 )制备一个打靶载体。这个是分子生物学,需要一个有经验的分子生物学人才来完成; 3 )胚胎干细胞转染或受精卵注射。如果做胚胎干细胞转染,不需要 Cas9 等,可以直接将打靶载体导入胚胎干细胞,通过 southern blot 筛选出正确重组的胚胎干细胞。然后将正确重组的小鼠胚胎干细胞通过显微注射放到小鼠囊胚,将囊胚移植到代孕小鼠体内,直到嵌合鼠出生。然后再通过跟野生小鼠交配获得种系传递,既获得所需要的基因工程小鼠。如果是用 ZFN/TALEN/Cas9 这些核酸酶,需要先设计这些核酸酶,优化其活性。再根据酶活性比较高的 sgRNA ,在相应的位置上设计打靶载体。然后再将 Cas9+sgRNA +打靶载体共同注射到小鼠受精卵里,并将受精卵移植到代孕小鼠体内。待小鼠出生后,从大量子代中筛选出带有重组基因的小鼠,也叫 F0 嵌合鼠。这个阳性 F0 小鼠再通过跟野生小鼠交配得到 F1 代小鼠,再通过 PCR 和 Southern blot 等方法筛出正确重组的 F1 代小鼠。 如果用胚胎干细胞方法,因为验证过程在 ES 细胞阶段,所以后续小鼠工作量较小。用 Cas9 方法做基因敲进,需要获得大量的子代并首先筛选出带有重组基因的 F0 嵌合鼠,然后再交配得到大量的 F1 代小鼠,最后再通过 Southern blot 筛出正确的 F1 代子鼠来,工作量相当巨大。比较这两种方法,做一个基因敲进小鼠所用的时间实际上差不多。 更主要的,在模式动物领域,做出一个小鼠来,才是刚刚开始,离它成为动物模型还有很长距离。因为所有的显微操作都是由人来完成的,也是人和小鼠的近距离接触,所以,基因工程小鼠是不能保证洁净的。所以,得到阳性基因工程小鼠之后,小鼠还需要通过体外受精或剖腹产方式进行净化,并在隔离包或 SPF 动物房里繁殖到足够数量,然后再进行各种分析。时间上需要以“年”来计,才能真正开始应用。与整个工程量相比, Cas9 所发挥的优势真是微乎其微。做模式动物,是一个系统工程,从理解基因功能,分子生物学技术,干细胞培养技术,受精卵或囊胚注射,嵌合鼠繁殖分析,基因型鉴定,小鼠净化,以及模式小鼠表型分析,是一个非常浩大的工程,是一套需要长期打磨的平台技术。 一个技术的出现,对于不懂的人来讲,好像是解决了一切。实际上,每一个新技术的出现,会带来更多未知的问题和更大的挑战。对于我们来讲,一个新技术可以加快或方便某个步骤,但不能解决整个工程问题。或许跟 PCR 技术一样, Cas9 技术虽然会给发明者带来大量的专利费收入,但不会为使用者带来多大的商业机会。就像所有实验室都有 PCR 仪器,但不是所有实验室都很成功一样。 百奥赛图是做模式动物的专业公司。过去 8 年的时间里,一直从事基因编辑工作。对于新的技术,也一直在跟踪或开发更好的技术。但这些技术,只是会让某些步骤更加稳定,或增加了一些技术选项。而最重要的,是我们要做出什么样的产品。
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[转载]CRISPR-Cas9系统如何操作 请看:基因工程技术之CRISPR-Cas9 张峰
wudifang 2016-3-1 10:48
最近,随着基因编辑技术不断曝光,这项技术也越来越火,越来越受到关注,但大部分媒体都只是浅尝辄止进行宣传而已,实质性的怎么操作,具体的步骤却很少涉及。鉴于此,师兄就把张峰的手稿扒拉出来,分享给大家。同时也欢迎大家与我探讨,我的微信号:shixiongcoming,向我申请的时候注意,写上你的理由哦,最近加我的人太多,不注明来由的读者,别怪师兄拒绝你呦。 Genome Engineering Using CRISPR-Cas9 System Le Cong and Feng Zhang Abstract The Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR)-Cas9 system is an adaptive immune system that exists in a variety of microbes. It could be engineered to function in eukaryotic cells as a fast, low-cost, effi cient, and scalable tool for manipulating genomic sequences. In this chapter, detailed protocols are described for harnessing the CRISPR-Cas9 system from Streptococcus pyogenes to enable RNA-guided genome engineering applications in mammalian cells. We present all relevant methods including the initial site selection, molecular cloning, delivery of guide RNAs (gRNAs) and Cas9 into mammalian cells, verification of target cleavage, and assays for detecting genomic modification including indels and homologous recombination. These tools provide researchers with new instruments that accelerateboth forward and reverse genetics efforts. Key words Genome engineering , Cas9 , CRISPR , CRISPR-Cas9 , PAM , Guide RNA , sgRNA , DNA cleavage , Mutagenesis , Homologous recombination , Streptococcus pyogenes 1 Introduction 1.1 General Principle of Genome Engineering with Designer Nucleases Genome engineering is a highly desirable technology in biologicalresearch and biomedical applications, allowing us to change genomic sequences at will to control the fundamental geneticinformation within a cell. It has been implemented in creatingmodel cell lines or organisms for the study of gene functions orgenetics of human diseases, and in gene therapy to correctdeleterious genomic changes or confer beneficial ones. Genome engineering using engineered nucleases has been one of the mostdesignable and scalable paths to achieve precise editing of genomicsequences. The basic principle for this process could be summarizedin to a two-step process (Fig. 1 ). The first step is the introductionof targeted DNA cleavage, in the form of typically double strandbreaks (DSBs) or possibly single strand nicks (SSNs), through theactivity of nucleases or nickases, respectively. The second stepinvolves DNA repair process activated by the targeted cleavage,carried out normally by the endogenous DNA damage repair machinery within the cells. In this step, two major pathways couldbe employed, achieving different types of genome modifi cation. One pathway is to repair the cleaved site via nonhomologous endjoining (NHEJ) pathway, which applies only to the DSBs as SSNsare thought to be unable to induce NHEJ pathway. During NHEJmediatedrepair, insertion/deletion (indels) will be engineeredinto the target site. The other pathway requires the artifi cial supplyof a repair template with chosen sequence alterations into the cellin addition to the DSBs or SSNs, so that homology-directed repair(HDR) pathway would be activated. The latter pathway requireshomologous recombination (HR) between chromosomal DNAand the supplied foreign DNA stimulated by the local DNAcleavage, resulting in virtually any type of desired editing throughreplacement of native sequence by the designed HR template . Overall, one of the most essential rate-limiting steps in thistype of genome engineering technology is the targeted cleavage ofendogenous genome. Hence, effort that centers on the developmentof better designer DNA-cleaving enzymes has been a focus ofthis fi eld. In the past decades, genome editing tools based onsequence-specifi c nucleases and DNA-binding proteins such aszinc-fi nger nucleases (ZFNs) , meganucleases , and transcriptionactivator like effectors (TALEs) , among others,have opened up the possibility of performing precise perturbationof genome at single-nucleotide resolution. Recently, the emergenceof a new type of genome engineering technology based onthe Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats(CRISPR) system, a microbial adaptive immune system, has transformedthe fi eld because of its easiness to design, rapidity to implement,low-cost, and scalability in eukaryotic cells. The CRISPR locus in microbes typically consists of a set ofnoncoding RNA elements and enzymes that harbors the ability torecognize and cleave foreign nucleic acids based on their sequencesignature. Three known CRISPR systems, types I, II, and III, havebeen described so far . Among these different CRISPRsystems, type II CRISPR systems usually only require a single protein,called Cas9, to perform the target cleavage. Recent years, thetype II CRISPR-Cas9 systems have been studied by several groupsin their native microbial domain to elucidate their molecular organizationsand functions . These studies demonstrated that Cas9 is a RNA-guided nuclease that is capable of binding to a targetDNA and introduce a double strand break in a sequencespecific manner, and its specifi city is determined by sequenceencoded within the RNA components. Following these breakthroughs, this new family of RNA guide dnucleases has been successfully developed into a multiplex genome engineering system that is simple to design, efficient, andcost-effective for mammalian genome editing purposes . Application of this system could enable introduction of different type of modifi cations, such as mutation, insertion, deletion, oreven larger chromosomal changes, through NHEJ or HDR pathways,in many different cell types and organisms . Fig. 1 Principle for genome engineering using designer nucleases or nickases. DNA cleavage induced bydesigner nucleases or DNA nicks created by designer nickases can result in double strand break (DSB), singlestrand nick (SSN), or double nicks (DNs) ( top ). These site-specifi c DNA cleavages can be repaired via two differentpathways ( bottom ). In the error-prone NHEJ pathway for DSB or DNs, the ends of the breaks are processedby endogenous DNA repair machinery and rejoined, which can result in random indels at the site ofjunction. The other pathway is the HDR pathway for both DSB, SSN, and DNs, where a repair template is supplied,allowing precise editing of the endogenous genome sequences. Parts of this fi gure are adapted from 1.2 Genome Engineeringwith CRISPR- Cas9 System The required components for CRISPR-Cas9 mediated DNA cleavageare the Cas9 protein and its bound RNA component thatguide the Cas9 to target sequence. The RNA component consistsof a RNA duplex formed by partial pairing between the CRISPRRNA (crRNA), which includes the guide sequence that bound totarget DNA through Watson–Crick base-pairing to specify the siteof cleavage, and the trans-activating crRNA (tracrRNA), whichfacilitate the maturation of crRNA and the loading of crRNA ontoCas9 (Fig. 2a ) . Our previous work demonstrated that by harnessing the well-understood CRISPR-Cas9 system from Streptococcus pyogenes SF370, we could develop a system that is sufficient for carrying out site-specifi c DNA cleavage in mammaliancells . A simplifi ed version of this design is achieved by fusionof the mature form of crRNA and tracrRNA into a chimeric singleguide RNA (sgRNA), which demonstrated even superior effi ciencycompared with the split design . Hereafter we centeron this two-component design, which enhances the convenienceof using the CRISPR-Cas9 system and multiplexing of genome targeting applications. Fig. 2 Schematic of the type II CRISPR-mediated DNA double-strand break and thedesign of chimeric sgRNA. ( a ) The type II CRISPR locus from Streptococcus pyogenesSF370 contains a cluster of four genes, Cas9, Cas1, Cas2, and Csn1, as well as twononcoding RNA elements, tracrRNA and a characteristic array of repetitive sequences(direct repeats) interspaced by short stretches of non- repetitive sequences (spacers,30 bp each). Each spacer is typically derived from foreign genetic material (protospacer),and directs the specifi city of CRISPR- mediated nucleic acid cleavage. In thetarget nucleic acid, each protospacer is associated with a protospacer adjacentmotif (PAM) whose recognition is specifi c to individual CRISPR systems. The TypeII CRISPR system carries out targeted DNA double-strand break (DSB) in sequentialsteps. First, the pre-crRNA array and tracrRNA are transcribed from theCRISPR locus. Second, tracrRNA hybridizes to the direct repeats of pre-crRNAand associates with Cas9 as a duplex, which mediates the processing of thepre-crRNA into mature crRNAs containing individual, truncated spacer sequences.Third, the mature crRNA:tracrRNA duplex directs Cas9 to the DNA target consisting of theprotospacer and the requisite PAM via heteroduplex formation between the spacer region of the crRNA and theprotospacer DNA. Finally, Cas9 mediates cleavage of target DNA upstream of PAM to create a DSB within the protospacer. ( b ) Design of chimeric sgRNA for genome cleavage. The SpCas9 nuclease ( yellow ) binds to genomic DNAdirected by the sgRNA consisting of a 20-nt guide sequence ( blue ) and a chimeric RNA scaffold ( red ). The guidesequence base-pairs with protospacer target ( blue ), located upstream of a requisite “NGG” called protospaceradjacent motif (PAM; colored in pink ). The SpCas9 mediates a DSB around 3 bp upstream to the 5′ end of the PAM( red triangles ). Parts of this fi gure are adapted from The guide sequence within sgRNA has a length of 20 bp andis the exact complementary sequence of the target site within thegenome, sometimes referred to as “protospacer” following theconvention of microbial CRISPR research (Fig. 2a ). In choosingthe target site, it is important to note the requirement of havingthe “NGG” trinucleotide motif, called protospacer adjacent motif(PAM), right next to the protospacer target on the 3′ end. TheCas9 cleavage site is located within the protospacer and positionedat around 3 bp upstream the 5′ end of the PAM, indicating apotential anchor role of the PAM for Cas9-mediated DNA cleavage(Fig. 2a, b ). The PAM sequence depends on the Cas9 proteinemployed in the CRISPR-Cas9 system, and hence, the “NGG”PAM sequence applies specifi cally to the Streptococcus pyogenesCas9 (SpCas9) discussed in this protocol. The Cas9 enzyme typically contains two nuclease domains: theRuvC-like (N-terminal RNase H fold) domain and the HNH(McrA-like) domain, each responsible for cleavage of one strand ofthe duplex DNA molecule. Therefore, there are two different versionsof Cas9 that can be used for genome modifi cation, the wildtype Cas9 that induces DSBs to the target site, and the nickaseversion of Cas9 (Cas9n) bearing a deactivating mutation in one ofthe two nuclease domains, which nicks the target DNA on onestrand. For SpCas9 that we described in this protocol, the twoderived nickases are SpCas9n (D10A) and SpCas9n (H840A),with mutation at one of the two catalytic residues of the nucleasedomain, D10 and H840, respectively. Whereas the wild typeSpCas9 is highly effi cient in executing NHEJ- and HDR-mediatedgenome engineering, its off-target effects due to the induction ofDSBs at mismatched targets within the genome cannot beneglected . The NHEJ-incompetent SpCas9n, in particularin the form of a double-nicking design where a pair of sgRNAscooperates two adjacent nickings at target genomic locus, might besuperior in terms of editing accuracy as it maintains the ability toachieve comparable genome engineering capacity and effi ciencywhile reducing the likelihood of off-target NHEJ events . Furthermore, if the catalytic residues within the two domains are simultaneously mutated, the deactivated non-cleaving version ofSpCas9 (dSpCas9) can serve as a generic RNA-guided DNAbindingprotein, priming additional applications in mammaliancells such as targeted transcriptional modulation . Morerecently, one study showed that by shortening the guide lengthwithin the sgRNA from 20 to 17 bp, the genome targeting specificity of wild type SpCas9 protein could be improved . Shortlyafterwards, two independent pieces of work demonstrated the utilizationof Cas9-FokI fusion protein as a designer dimer nucleasefor improved Cas9 specifi city . All these work on SpCas9-based system and earlier demonstration that orthogonal Cas9 proteinsfrom different microbial species can be adapted for mammaliangenome targeting , implicate the potential of optimizing theguide RNA and the Cas9 protein as valid strategies to address theoff-target issue of CRISPR-Cas9 system, raising the possibility thatan effi cient and specifi c CRISPR-Cas9 system will be realized forpowerful and precision genome engineering. Here we describe a detailed protocol for applying the CRISPRCas9 system from Streptococcus pyogenes for genome engineeringpurposes in mammalian cells. The protocol includes steps arrangedin order of actual experiments: selection of targets and cloning oftargeting constructs (Subheading 3.1 ), delivery into mammaliancells (Subheading 3.2 ), assay for genomic cleavage (Subheading 3.3 ),implementation of homologous recombination using CRISPRCassystem (Subheading 3.4 ), and the verifi cation and quantifi cationof HR effi ciency (Subheading 3.5 ). There are still numerouschallenges related to effi ciency of homologous recombination, offtargeteffects, and multiplexed targeting before we could deployCRISPR-Cas9 system to achieve robust, effi cient, and accurategenome engineering in all type of biological systems, especially forin vivo settings. Nonetheless, the general principle and designguidelines for SpCas9 in this chapter should be relevant for thesefuture efforts as well. 2 Materials 2.1 Molecular Biology Reagents 1. Backbone plasmids: pX330 (U6-chimeric guide RNA + CBh-SpCas9 backbone, Addgene ID 42230), pX335 (U6-chimericguide RNA + CBh-SpCas9n backbone, Addgene ID 42335). These and additional backbone plasmids mentioned in theprotocol are all available from Addgene, at www.addgene.org . 2. DNA oligos (Standard de-salted) for cloning of chosen guides. For oligos longer than 60 nt, the ultramer oligo (IntegratedDNA Technology, Coralville, IA, USA) is recommended. 3. PCR reagents: Herculase II fusion polymerase (Agilent, SantaClara, CA, USA). Other high-fi delity polymerases, such asKapa HiFi (Kapa Biosystems, Wilmington, MA, USA) can alsobe used for PCR in this protocol. 4. Cloning enzymes: FastDigest Bbs I, FastDigest Age I, FastAP(Thermo Scientifi c/Fermentas, Pittsburg, PA, USA), Plasmid-Safe exonuclease (Epicentre, Madison, WI, USA), T7 DNA ligase. 5. 10× T4 DNA ligase buffer. 6. 10× Tango buffer (Thermo Scientifi c/Fermentas). 7. DTT (DL-Dithiothreitol; Cleland’s reagent). 8. 10 mM Adenosine 5′-triphosphate. 9. Ultrapure water (RNAse/DNAse-free). 10. Tris-EDTA (TE) buffer. 11. E. coli competent cells. Strains such as Stbl3 (Life Technologies,Carlsbad, CA, USA) or other recombination-defi cient strain isrecommended to avoid recombination of repetitive elementsin the plasmids. 12. Luria Broth (LB) media. 13. Ampicillin. 14. Spin miniprep kit. 15. Plasmid Midi/Maxi Kit. 16. Standard gel electrophoresis reagents and apparatus. 2.2 Cell Culture and Processing Reagents 1. Cell line: human embryonic kidney (HEK) 293FT cell line. 2. Dulbecco’s Modifi ed Eagle’s Medium (DMEM). 3. 10 % fetal bovine serum (FBS). 4. GlutaMAX solution (Life Technologies). 5. 100× Pen-Strep: 100 U/μL penicillin, 100 μg/μL streptomycin. 6. OptiMEM medium (Life Technologies). 7. TrypLE® Express Enzyme (Life Technologies). 8. Transfection reagent: Lipofectamine 2000 (Life Technologies)can be used for HEK 293FT or Neuro-2a cell lines with thisprotocol. Other transfection reagents can also be used dependingon the cell type and after trial/optimization. 9. 24-well tissue culture plates. 10. pCMV-EGFP plasmid (Addgene, Cambridge, MA, USA). 11. pUC19 plasmid (NEB). 2.3 Genome Modifi cation and Homologous Recombination Assay Reagents 1. 1× PBS. 2. QuickExtract? DNA extraction kit (Epicentre). 3. SURVEYOR Mutation Detection Kit (Transgenomic, Omaha,NE, USA). 4. 4–20 % Novex TBE polyacrylamide gels and accompanyinggel-running reagents (Life Technologies). 5. PCR primer for amplifi cation of genomic DNA used inSURVEYOR assay and HR assay. 6. PCR reagents: Herculase II fusion polymerase (Agilent). Otherhigh-fi delity polymerases, such as Kapa HiFi (Kapa Biosystems)can also be used for PCR in this protocol. 7. 10× Taq PCR buffer. 8. Novex Hi-Density TBE sample buffer (Life Technologies). 9. 10,000× SYBR Gold nucleic acid gel stain (Life Technologies). 10. PCR purifi cation kit. 11. Gel extraction kit. 12. Restriction enzyme for HR assay depends on the design of theHR template. 3 Methods Ultrapure water is used for all the steps below. The setup of the experimentsis carried out at room temperature unless otherwise stated. 3.1 Design and Cloning of Genome Engineering Constructs Below is a step-wise protocol for cloning and verifi cation of targetingvectors. Prior to the cloning of the constructs for genome engineering,the target sites should be selected as described inSubheading 4 ( see Notes 1 – 3 ). 1. Prepare sgRNA oligo duplex. Resuspend the oligos ( see Note 2 ) to a fi nal concentration of 100 μM with TE buffer. Mix regents listed below to preparethe reaction mixture for each pair of oligos to phosphorylateand anneal them into ligation-ready duplex DNA fragments. Place the mixture in a thermocycler using the followin parameters to phosphorylate and anneal the oligos. Add 2 μl of annealed oligos into 398 μl of water to dilutethe products 200-fold. 2. Cloning of targeting constructs. Select the appropriate cloning backbone vector to insert theannealed oligos ( see Notes 2 and 4 ). Mix reagents listed below toset up the ligation reaction. Mix the same reagents without addingthe sgRNA oligo duplex to prepare a negative control reaction. Incubate the ligation reaction in a thermocycler followingthe parameters below. 3. (Optional but highly recommended) Plasmid-Safe treatment. Add Plasmid-Safe buffer, ATP, and the ATP-dependent Plasmid-Safe exonuclease as listed below to treat the ligation reaction andthe negative control to increase the effi ciency of cloning bydegrading unligated DNA fragments in the product mixture. Incubate the reaction mixture in a thermocycler followingthe parameters below. 4. Transformation. Add 2 μl of each reaction from previous step (including thenegative control ligation reaction) into chosen competentcells, such as Stbl3, transform following the manufacturer’sprotocol. Plate the transformed cells on Ampicillin selection LB agarplates or other type of plates depending on the selection markerof the backbone vector. 5. Plasmid preparation. Check the plate for presence of bacterial colonies after overnightincubation. Usually there should be no or less than fi vecolonies on the negative control plate, whereas over tens tohundreds of colonies will grow on the cloning plate, indicatinghigh cloning effi ciency. Pick two to three colonies from each agar plate and set upa small volume (typically 5 ml) LB culture for miniprep. Incubate and shake under 37 °C overnight, prepare plasmidDNA using a spin miniprep kit according to manufacturer’sprotocol. 6. (Optional) Digest the plasmid DNA to verify the insertion ofthe oligos. Digest the miniprep DNA with diagnostic restriction enzymes,BbsI and AgeI, if using the vector backbone PX330/PX335. Run the digested product on a 1 % agarose gel to visualize theband pattern of the digested product. When a lot of cloning is done at the same time, it is possibleto screen for correct insertion of the target sequence oligosby this digestion because a successful insertion will destroy theBbsI sites. After double digestion, clones with insertion of annealed sgRNA oligos will show only linearized plasmid,whereas clones without insertion will yield two fragments, withsizes of ~980 and ~7,520 bp in the case of pX330 when runningand visualizing on an agarose gel. 7. Sequencing verifi cation of positive clones. Sequence the clones with a forward primer that binds the humanU6 promoter to verify the successful insertion of guide sequences. The verifi ed clones can be then prepared using a Midi or Maxiplasmid extraction kit for downstream experiments. 3.2 Mammalian Cell Culture and Transfection As a general protocol, the steps below use HEK 293FT cells as anexemplar system to demonstrate CRISPR-Cas9 genome engineering. Additional suggestions can be found in Subheading 4 ( see Note 5 ). 1. HEK 293FT cell maintenance. Maintain the HEK cells in DMEM medium supplementedwith 10 % FBS (D10 medium) in an incubator at 37 °C temperatureand supplemented with 5 % CO 2 as recommended bythe manufacturer. Feed the cells every other day, and passagethe cells so they never reach over 75 % confluence. 2. Preparing cells for transfection. At 16–24 h before transfection, dislodge and disassociate thecells by trypsinization. Plate cells into 24-well plates containing500 μl antibiotic free medium at a density of 250,000 cellsper mL of culture medium, or 125,000 cells per well. Scale upor down the culture volume proportionally to the plate formatbased on the number of cells needed in the experiment. At thetime of transfection, the cells should be at around 75–85 %confl uence. 3. Transfection. Mix a total of up to 600 ng DNA containing the targetingconstructs in a microcentrifuge tube for each well of transfectionon a 24-well plate. For transfecting plasmid derived frompX330 or pX335, where a guide sequence has been clonedinto the backbone vector, directly use 600 ng of the preparedplasmid in the transfection mixture. When transfecting morethan one construct for alternative designs, e.g., the doublenickase method, or when multiplex genome cleavage is desired,mix equal molar ratio of all constructs to a total of 600 ng inthe transfection mixture ( see Notes 2 and 4 ). Add 50 μlOptiMEM medium OptiMEM medium to the DNA mixture. Mix well and spin down. Dilute Lipofectamine 2000 transfection reagent by adding1.5 μl of the reagent into 50 μl of OptiMEM, Mix well andincubate at room temperature for 5 min. Within 15 min ofdiluting the transfection reagent, add all the dilutedLipofectamine 2000 reagent into the DNA-OptiMEM mixtureprepared earlier. Mix well and spin down. Incubate themixture for another 20 min to allow the formation of DNA–Lipofectamine complex. Add the fi nal complex directly ontothe culture medium of each well on the 24-well plate. (Notrequired but highly recommended) Include a transfection controlto monitor transfection effi ciency. Use a control plasmidexpressing a fl uorescent protein, such as pCMV-EGFP, andtransfect this plasmid following same protocol as above intothe cell. Transfect another well of cells using the SpCas9 backbonevector, e.g. pX330 or pX335, as a negative control fordownstream processing and validation of assay. Replace the medium with warmed fresh medium around12–24 h post transfection. Maintain the cells for another48–72 h to allow suffi cient time for genome engineering mediatedby CRISPR-Cas9 system. 3.3 Genome Cleavage Analysis 1. Genomic DNA extraction. Extract genomic DNA from transfected cells using theQuickExtract DNA extraction kit following the manufacturer’srecommended protocol. Briefl y, disassociate cells from theplate, harvest by spin down the cell suspension at 250 × g for 5 min. Wash cell pellet with 500 μl of PBS and then resuspendedin QuickExtract solution. We typically use 50 μl for one well ina 24-well plate (scale up and down accordingly). Vortex thesuspension and incubate at 65 °C for 15 min, 68 °C for 15 min,and 98 °C for 10 min. 2. SURVEYOR assay to detect genomic cleavage. Use SURVEYOR assay to detect genomic cleavage after extractionof genomic DNA ( see Note 6 ), following the stepwiseinstructions provided in the SURVEYOR Mutation DetectionKit manual. A brief description of the steps is listed below. (a) Amplify extracted genomic DNA with a pair of primersdesigned for the target region of interest using a highfidelity enzyme such as Herculase II fusion polymerase ofKapa Hifi Hotstart polymerase. Typically an amplicon sizeof less than 1,000 bp is preferred as shorter amplicon givesmore specifi c amplifi cation products. (b) Visualize the PCR product on an agarose gel to check thespecifi city of the amplifi cation. It is important to havevery specifi c amplifi cation of genomic region to yieldaccurate SURVEYOR assay results as nonspecifi c bandswill interfere with the interpretation of gel electrophoresisanalysis. (c) Purify and quantify the PCR products, set up a denaturing/re-annealing reaction by mixing up to 400 ng of PCRproducts with water and re-annealing buffer (we typicallyuse the PCR reaction buffer and add to a fi nal concentrationof 1×, refer to the SURVEYOR assay manual for moreinformation). (d) Run the reaction in a thermocycler with followingparameters. (e) Digest the re-annealed products with SURVEYOR enzymekit at 42 °C for 1 h as recommended by the manufacturer’sprotocol. (f) Visualize the digested product using gel electrophoresis. For visualization of SURVEYOR assay results, we recommendedloading of the Surveyor Nuclease digestion productswith Polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE) methodas it gives better solution compared with agarose gels. Quantifi cation of the assay results and the method toconvert it to an estimation of the frequency of indelsgenerated by CRISPR-Cas system in the population ofcells are described in Subheading 4 ( see Note 7 ). 3.4 Implementation of Homologous Recombination (HR) Using CRISPR-Cas System The guideline and considerations for designing a HR experimentto use CRISPR-Cas system to precisely modify the genomicsequence of interest by inserting, deleting, or replacing part of thegenome are described in Subheading 4 ( see Note 8 ). Briefl y, followingdesign and cloning of the HR template, perform HRexperiment following steps below. 1. HEK 293FT cell maintenance and the preparation of cells fortransfection. This part is same as the corresponding steps in Subheading 3.2 . Briefl y, plate cells into 24-well plates and make sure at the timeof transfection, the cells should be at around 75–85 %confl uence. 2. Transfection. Mix a total of up to 800 ng DNA containing the targeting constructsand the HR template vector (or single-stranded DNAoligos, see Note 9 ) in a microcentrifuge tube for each well oftransfection on a 24-well plate. Generally, apply a molar ratio of1:3–5:1 for the targeting vector and HR template vector. (Optional but recommended) Titrate different molar ratiobetween the targeting vector and HR template vector to test theoptimal condition for the HR experiment. Add 50 μl OptiMEMmedium to the DNA mixture. Mix well and spin down. Dilute Lipofectamine 2000 transfection reagent by adding2 μl of the reagent into 50 μl of OptiMEM, Mix well and incubateat room temperature for 5 min. Within 15 min of dilutingthe transfection reagent, add all the diluted Lipofectamine2000 reagent into the DNA-OptiMEM mixture prepared earlier. Mix well and spin down. Incubate the mixture for another20 min to allow the formation of DNA–Lipofectamine complex. Add the fi nal complex directly onto the culture mediumof each well on the 24-well plate. Transfect another well of cells using the SpCas9 backbonevector, e.g., pX330 or pX335, together with the same amountof HR template vector as a negative control. Replace the medium with warmed fresh medium around12–24 h post transfection. Maintain the cells for another 72 hto allow suffi cient time for HR mediated by CRISPR-Cas9 systemand the template. 3.5 Verifi cation and Quantifi cation of HR Effi ciency To verify the homologous recombination between the HR templateand the endogenous genome, restriction fragment lengthpolymorphism (RFLP) assay for HR can be applied. 1. Genomic DNA extraction. Extract the genomic DNA using the same extraction protocolusing the QuickExtract DNA extraction kit as in theSURVEYOR assay (Subheading 3.3 ). 2. Target region amplifi cation. Amplify the genomic region of interest by a HR testing primerset where the two primers bind outside the homology regionto avoid false positive results given by amplifi cation of the residueHR template. 3. Perform RFLP digestion. Run the resulting PCR product on an agarose gel to check forspecifi city of amplifi cation, as nonspecifi c PCR products willinterfere with the assay and prevent accurate quantifi cation ofHR effi ciency. In many cases, several pairs of HR testing primersets should be screened to obtain robust, specifi c amplicons. Purify the PCR amplifi cation product by standard PCRpurifi cation, or in the case where clean PCR product cannot beobtained, gel extract the desired amplicon following separationof PCR product on an agarose gel. Digest the purifi ed products with the appropriate enzymecorresponding to the design of the HR template ( see Note 8 ),and visualize on an agarose gel or PAGE gel. The latter usuallygives better resolution and is highly recommended. The effi -ciency of HR in the population of cells assayed can be estimatedby the following formula: HR percentage (%) = ( m + n / m + n + p ) × 100 Here the number “ m ” and “ n ” indicate the relative quantityof bands from digested genomic PCR products, whereasthe “ p ” equals the relative quantity of undigested products. 4. Perform additional Sanger and next-generation DNA sequencingto verify the presence of desired engineered sequenceswithin the genome. Briefl y, clone the genomic PCR productinto a sequencing vector, TOPO-TA, or other blunt-endcloning method, and perform Sanger sequencing to detectrecombined genomic amplicons. Alternatively for higherthroughput, subject the genomic PCR products to next-generationsequencing. 4 Notes 1. Identifi cation and selection of target genomic site. The twoprimary rules for identifying a target site for the SpCas9 systemare: (1) fi nding the “NGG” PAM sequence which is requiredfor SpCas9 targeting, and (2) picking a sequence of 20 bp inlength upstream of the PAM to its 5′ end as the guide sequence. Following these two guidelines, multiple potential target sites can be usually found within the genomic region of interest(Fig. 2 ). Additionally, when using U6 promoter to expresssgRNA (such as pX330, pX335), we suggest adding the G (notreplacing but add one more base) because the human U6 promoterrequires a “G” at the transcription start site to havehighest level of expression (Fig. 2 ). While we do notice thatsometimes the sgRNA will still work without the extra “G”, itis generally better to have this additional base. In the casewhere the guide sequence starts with a base “G”, this additioncan be omitted. In our open-source online resources website( http://crispr.genome-engineering.org ), we provide the mostup-to- date information for using the CRISPR-Cas9 system forgenome engineering, focusing on the SpCas9 system. Additionally, we also developed an online tool for the selectionof SpCas9 targets for different organisms including human,mouse, zebrafi sh, C. elegans , etc. This tool can greatly facilitateand simplify the process of performing target selection in batch( http://crispr.mit.edu/ ). Because the effi ciency of differenttargets could vary considerably depending on the guidesequences, we highly recommend testing multiple target sitesfor each gene or region of interest and selecting the most effectivetarget ( see Note 1 ). In the case of double nickase design,we recommend individually testing each target with the wildtype SpCas9 system to assess the cleavage effi ciency of individualguides and then combine the most effi cient pair ofguides with opposite directionality and appropriate spacing forthe genome engineering application. 2. Design of oligos for inserting guide sequences into backbonevectors. The cloning vectors we use for typical SpCas9 genometargeting are pX330 for the wild type SpCas9 and pX335 forthe nickase version SpCas9n. Both vectors are mammaliandual- expression vectors, which enables the co-expression ofSpCas9 protein driven by the potent constitutive promoterCBh and sgRNA driven by the RNA Pol III human U6 promoterin mammalian cells (Fig. 3 ). CBh promoter is a hybridpromoter derived from the CAG promoter, which have beenvalidated to support strong expression of transgene in multiplecell types/lines, including HEK 293FT, mouse Neuro-2a,mouse Hepa1-6, HepG2, HeLa, human ESCs, and mouseESCs. To clone custom guide sequences into these backbonevectors, a pair of oligos encoding the guide sequences can beordered with the appropriate overhangs (Fig. 3 ), then annealedto form a clone-ready duplex DNA fragment. The vector canbe then digested using BbsI, and a pair of annealed oligos canbe cloned into the backbone to express the correspondingsgRNA (Fig. 3 ). The oligos are designed based on the targetsite sequence selected in previous section. A common confusionsometimes in cloning the guide into backbone vector is to include the “NGG” PAM sequence in the guide sequence. Hence, it is important to check that only the 20 bp sequenceto the 5′ end of the PAM is being used for designing the oligosequences to order. An alternative way of designing oligos fordirectly amplifying a PCR fragment that contains the U6 promoterdriving a sgRNA could also be employed for testing theguide sequences, which simplifi es the test by avoiding the needof cloning, but might be less effi cient than using the clonedvector plasmids ( see Note 4 , ). Fig. 3 Schematics for the cloning backbone vectors pX330/pX335 with oligo design for inserting guidesequences. The pX330 and pX335 vectors contains dual-expression cassettes for both the SaCas9 protein andthe sgRNA. Digestion of the backbone with Bbs I Type II restriction sites ( blue ) generates the complementarycloning overhangs to the annealed oligos ( purple boxed ). Note that a G–C base pair is added at the 5′ end ofthe guide sequence for optimal U6 transcription. The oligos contain overhangs for ligation into the overhangsof Bbs I sites. The top and bottom strand orientations is exactly identical to those of the genomic target butexclude the “NGG” PAM. Parts of this fi gure are adapted from 3. Screening of multiple guides. For most applications, we screenfor at least three guide sequences within the target genomicregion in an effort to fi nd the most effi cient ones. This isbecause while CRISPR-Cas9 system works very effi ciently, theactual cleavage effi ciency could be affected by the sequence ofthe guide, the accessibility of local chromatin, the activity ofthe endogenous DNA repair pathways, and other guide-specific or cell-type-specifi c factors. Hence, to ensure that a validguide sequence is obtained, this screening process is highlyrecommended. Following the same logic, a guide sequencethat has been verifi ed in one cell type will not necessarily workto the same effi ciency in another cell type or condition. Hence,additional optimization or re-screening of new guide sequencesmight be required when moving from one experimental sys-tem to another. This same situation is also applicable to theHR experiment where the HDR effi ciency can very considerablyamong different types of cells or tissues. 4. Additional strategy for screening guides and backbones for differentapplications. We have also developed another way ofquickly screening guide sequences with amplifi ed PCR products. In this design, two primers are used to amplify the U6RNA-expression promoter, where the forward primer binds tothe 5′ beginning of U6 promoter, and the reverse primer bindsto the 3′ end of the U6 promoter. Because the reverse primeralso contains a long extension that can add on the guidesequence and the chimeric sgRNA scaffold, the amplifi ed PCRproduct contains all necessary elements for expressing a sgRNAcontaining the guide specifi ed in the reverse primer. Hence,the screening of guide sequences can be done by co-transfectingthis PCR product with a backbone vector expressing theSaCas9 protein. Because many application of CRISPR-Cas9genome engineering involve cell lines that might be diffi cult towork with, e.g., cell lines that are hard to transfect, we developedadditional backbone vectors to facilitate selection andscreening for transfected cells. These vectors contain the fl uorescentmaker protein, GFP, or the selectable puromycin resistancegene, linked to the expressing of SaCas9 via a 2A peptidelinker. These constructs will enable fl uorescence activated cellsorting (FACS) or the selection of transfected population,which can further improve the overall effi ciency of genomeengineering particularly in the case of HR applications. Additional details on these designs and backbones can befound in our recent publication . 5. Cell line choice for validation of guide design. Functional validationof targeting constructs bearing the designed guides canbe carried out in relevant cell lines, e.g., HEK 293FT, K562,Hela for human genome engineering, or Neuro-2a, Hepa1-6for mouse. This process takes advantage of some favorableexperimental properties of these lines, such as robust and easymaintenance, effi cient transfection, etc., before embarking oncomplicated procedures in other mammalian systems. Nonetheless, achieving best results for each experiment mightrequire additional optimization ( see Note 2 ). Moreover, dueto the genetic and epigenetic differences between cell types orsubjects of study, results obtained from one cell type might notnecessarily correspond to those from another cell type of thesame species ( see Note 2 ). 6. Mechanism of SURVEYOR nuclease assay. Following thedelivery of SpCas9 and the sgRNAs into mammalian cells, theinduced genomic cleavage could be assayed by the SURVEYORassay, which could detect modifi cation of genomic DNA within of the cells will be modifi ed by SpCas9 so that their genomicsequence at target site is different from the un-modifi ed population. Hence, in the assay, it is possible to amplify region ofinterest from genomic DNA via PCR, then through a denaturingand re-annealing process to form mismatched DNA. Thismismatched DNA can then be recognized by the SURVEYORnuclease and cleaved for visualization on analytical gels. Toquantify the effi ciency of genomic cleavage, one can then assessthe percentage of cleaved products as a surrogate for the percentageof indels generated within the target genomic region. 7. Analysis of SURVEYOR assays results. To calculate the genomecleavage effi ciency of a tested target, quantify the band intensityof SURVEYOR assay products visualized by PAGE usingthe following formula: Indel percentage (%) = (1 . √(1 . x )) × 100, where x = ( a + b )/( a + b + c ) In this formula, the number “ a ” and “ b ” represent therelative quantities of the cleaved bands, while “ c ” equals to therelative quantity of the non-cut full-length PCR product. Other methodology of detecting the genomic cleavage canalso be applied. One such method is to clone the SURVEYORPCR products into a sequencing vector, e.g., pUC19, andtransformed into E. coli . These individual clones can be thensequenced via Sanger sequencing to reveal the identity ofgenome modifi cations. Additionally, the percentage of modified clones can also be used as a measurement for the effi ciencyof genome engineering. Alternatively, the PCR products couldalso be sequenced in a more high-throughput way with nextgenerationsequencing. 8. Design and synthesis of repair template for HR experiment. Forintroducing a precise genomic modifi cation into the genome,the HDR pathway can be employed. This is achieved by cotransfectingSpCas9 constructs (derived from pX330 or pX335)bearing guide sequences with a HR template in the target cellline. After recombination, modifi cations such as point mutation,small and large insertions/deletions, or other type ofchromosomal changes could be engineered into the endogenousgenome. A few considerations for the choice of guide: (a) Typically, a screening for the most effi cient guide sequenceis performed fi rst. We recommend picking several (three tosix) targets within the genomic region of interest followingprotocols listed earlier. Tests are then performed to assaythe cleavage effi ciency of each of these guides. Then, theactual HR experiments can be carried out with themost effi cient guides (also see additional considerations inNotes 3 and 4 ). (b) For maximize the effi ciency of HR, it is recommended thatthe cleavage site of the guide is as close to the junction ofthe homology arm, i.e., the size at which genome modifi -cations are introduced, as possible. Usually this distanceshould be less than 100 bp, ideally less than 10 bp. (c) To minimize the off-target cleavage, the double nickasedesign can be used. In this case, multiple guide sequencescan be fi rst tested individually, and typically the combinationof highest cutting guide designs with appropriatedirectionality will yield highest cleavage when used in thepaired fashion, thus giving best results in HR experiment. 9. The HR template is essentially the desired sequence that needsto be present in the engineered genome, fl anked by twohomology arms bearing the same sequence as the referencegenome. Below are considerations for the choice of HRtemplate: (a) It is usually advised to insert a testable marker in the HRtemplate to facilitate the assay for successful HR events. For example, a restriction site could be inserted to allowRFLP assay. Alternatively, the insertion of fl uorescent proteinsor selectable drug-resistance genes such as puromycin-resistance cassette can also be used. (b) For introducing single-point mutation the best HR templatefor transfection is usually single-stranded DNA(ssDNA) oligos. For ssDNA oligo design, we typically usearound 50–90 bp homology arms on each side and introduceyour mutation/modifi cation in between the twoarms. When ordering long oligos, ultramer oligo (IDT) isrecommended. (c) For introducing larger genomic modifi cation, plasmidDNA vector can be used because of the length limit ofssDNA oligos. When designing a plasmid-based HR template,a minimum of 800 bp homology arms on each sideis recommended. (d) If you have intact “protospacer + PAM” sequence within theHR template, it can lead to the HR template being degradedby Cas9. Hence, it is recommended to make silent mutationsto destroy the sgRNA-binding site, or avoid putting inthe full target site in the HR template by choosing targetsites that span the site of modifi cation. For making silentmutations, one good option is to mutate the PAM “NGG”within the HR template, as the PAM is required for cleavage. For example, change the “NGG” to “NGT” or“NGC”, in addition to mutations in the spacer itself, couldusually prevent degradation of donor plasmid. 本文转自丁香园: 查看原文
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热门研究|CRISPR-Cas 好文分享
WileyChina 2016-2-26 09:35
CRISPR的研究热潮是否达到顶峰? 我们只是将 CRISPR 看作是下一个大发明出现之前的替代品,还是在接下来的几年中,继续研究,解读,运用 CRISPR-Cas 技术? 不管怎样,CRISPR 正站在聚光灯下,我们收集了最近这三个月中所有出版期刊中与之相关的内容,供您查阅 。 阅读最新文章 生物技术: CRISPR/Cas9-mediated genome engineering of CHO cell factories: Application and perspectives Biotechnology Journal Diversity in host clone performance within a Chinese hamster ovary cell line Biotechnology Progress Rapid and marker-free refactoring of xylose-fermenting yeast strains with Cas9/CRISPR Biotechnology and Bioengineering Tailor-made CRISPR/Cas system for highly efficient targeted gene replacement in the rice blast fungus Biotechnology and Bioengineering 植物科学: Efficient disruption and replacement of an effector gene in the oomycete Phytophthora sojae using CRISPR/Cas9 Molecular Plant Pathology Development of germ-line-specific CRISPR-Cas9 systems to improve the production of heritable gene modifications in Arabidopsis Plant Biotechnology Journal 遗传学: Inhibition of nonhomologous end joining to increase the specificity of CRISPR/Cas9 genome editing FEBS Journal Disruption of MeCP2 attenuates circadian rhythm in CRISPR/Cas9-based Rett syndrome model mouse Genes to Cells CRISPR-Cas systems and RNA-guided interference WIREs RNA Accelerated genome engineering through multiplexing WIREs Systems Biology and Medicine 细胞与分子生物学: Applications of Cas9 as an RNA-programmed RNA-binding protein BioEssays The emerging role of native mass spectrometry in characterizing the structure and dynamics of macromolecular complexes Protein Science Error-Prone Repair of DNA Double-Strand Breaks Journal of Cellular Physiology Chromosomes at Work: Organization of Chromosome Territories in the Interphase Nucleus Journal of Cellular Biochemistry 方法及应用: CRISPR-Mediated Gene Targeting of Human Induced Pluripotent Stem Cells Current Protocols of Stem Cell Biology Mouse Genome Editing Using the CRISPR/Cas System Current Protocols in Human Genetics 伦理方面: No time to waste—the ethical challenges created by CRISPR EMBO reports Copyright © John Wiley Sons, Inc. or related companies. All rights reserved.
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[转载]CRISPR: 潘多拉盒子被打开之后
tianyizhang6 2016-1-2 12:43
新型 DNA 编辑技术 CRISPR 从 2013 年至今都是很热门的领域。 DNA 编辑就是改变生物体内已有的基因,这个概念在遗传学领域早就有了,并不是新名词。 CRISPR 的影响力之所以大,是因为它使得 DNA 编辑的效率大大提高,使得原来一些耗时低效的遗传学实验变得简单,甚至使一些不可能的实验变为可能。崔健说:不是我不明白,是这世界变化快。这就是 CRISPR 带来的改变。 在 CRISPR 产生之前,要改变生物体内的基因主要通过 DNA 同源重组的方法。当两段高度相似的 DNA 序列相遇时,它们可以相互结合然后交换序列,这个过程被称为 DNA 同源重组。通过这个过程,可以把做了改变的 DNA 片段替换生物体内原有的 DNA 。 DNA 重组率高,说明这个物种的 DNA 容易被改变,敲除或改变基因在这个物种中也容易被实现。 虽然还没有直接的证据,但生物体 DNA 被改变的容易程度与其染色体的复杂程度紧密相关。染色体的复杂程度主要取决于 DNA 所缠绕的组蛋白的种类、修饰的多样性以及相互作用。例如,病毒与细菌的 DNA 没有被组蛋白包裹,它们的 DNA 重组率很高。酵母与老鼠都有组蛋白,但酵母的 DNA 重组率比老鼠要高很多。所以,通过 DNA 同源重组的方法在酵母中敲除一个基因比在老鼠中要容易得多得多得多。高等动物拥有复杂而且难以被入侵的染色体结构是符合信息安全的逻辑的:越庞大重要的信息需要越安全的保护。 CRISPR 把一套真核生物没有的 DNA 编辑系统引进来,轻而易举地突破高等动物的染色体防线,让高等动物的基因敲除或者替换变得容易很多。当然,在没有 CRISPR 之前也有别的 DNA 编辑方法,例如 zinc finger nuclease 和 TALEN ,这些方法比 CRISPR 要复杂一些而且限制也多一些。 由于 CRISPR 的高效率,科学医学界的一大呼声是希望 CRISPR 能用于修复人体内的某些基因缺陷,用于治疗艾滋病,先天性遗传病,甚至是癌症。但最近的一些研究表明, CRISPR 的专一性并没有原来预测的那么好,因为人的基因组很大, CRISPR 会非特异性地改变一些正常的基因。所以,实现这些愿望可能会有些漫长,也有可能会被证明不可能。 同时,由于 CRISPR 的高效率,有警惕的科研人员都很明白 CRISPR 可能会带来的灾害。现在的一个比较强烈的呼声是要限制 CRISPR 在人体身上的应用,原因很简单:除了副作用的不确定性,还有伦理宗教的问题。另一方面就是要防止基于 CRISPR 的新型病毒或纳米颗粒给人类社会带难以预测的灾难。与后者有关的声音目前比较弱小,可能是这牵涉到国防政治的问题,不便摆到桌面上来说。 CRISPR 的威力在那里,就看人类怎么用它。
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[转载]Nature Biotechnology:利用CRISPR系统筛选癌症药物靶向目标
bionion 2015-5-14 10:18
近日,来自美国冷泉港实验室的研究人员在国际学术期刊nature biotechnology在线发表了一项最新研究进展,他们应用CRISPR-CAS9技术靶向编码蛋白功能性结构域的外显子对癌症药物作用靶点进行大规模筛选,克服了CRISPR-CAS9技术在该方面的技术障碍,对于癌症药物靶点筛选有重要意义。 CRISPR-CAS9基因组编辑技术在发现癌症及其他疾病靶向治疗目标方面具有重要应用前景。目前的筛选策略主要通过靶向CRISPR-CAS9诱导的候选基因5`外显子突变来进行,但这种方法常会产生保留部分功能的框内突变,即使具有很强的遗传相关性也有可能会被掩盖。 在该项研究中,研究人员利用CRISPR-CAS9技术靶向编码蛋白功能结构域的外显子对其进行突变,从而克服了上述问题的限制。这种方法会产生更多的无效突变,大幅度增加了阴性选择的效能。同时,大量的阴性选择可用于推断蛋白质不同结构域的功能重要性。研究人员利用这一方法对小鼠急性髓系白血病细胞的192个染色质调节性区域进行了筛选,发现了6个已知的药物靶点和19个潜在药物靶点。 综上所述,应用CRISPR-CAS9技术靶向编码蛋白功能结构域的外显子对其进行突变,可对维持癌细胞生长存活及发育等过程具有重要作用的蛋白及结构域进行大规模筛选,对于寻找合适的药物作用靶点,开发癌症治疗药物具有重要意义。
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[转载]剪掉HIV病毒基因,根治艾滋病
fqng1008 2015-4-24 07:03
虽然医生可以通过多种不同的抗逆转录 病毒 药物搭配使用的鸡尾酒疗法来控制病毒,但若停止治疗,病毒即可恢复活力。 为了使潜伏中的 艾滋病 病毒失活,马萨诸塞大学医学院(University of Massachusetts Medical School)的研究人员正在利用Cas9 / CRISPR,这一强大的 基因 剪辑系统来开发一种可以阻断病毒DNA从感染细胞中释放的新技术。 “简单来说,我们可以精确地切除全部或部分艾滋病病毒基因组,并将人类基因组的断端重连”。首席合作研究员Scot Wolfe博士说道,他是马萨诸塞大学医学院分子生物学,细胞生物学和肿瘤生物学的副教授。“如果我们能做到这一点,这将是功能性治愈艾滋病征途上的重要一步。” CRISPR序列是在正常细菌内发现的一个免疫组件,自然状态时可以保护细菌免受病毒入侵。自发现以来,研究人员一直在积极地进行研究,寻找利用这个系统,快速并有选择性地剪辑特定基因序列的方法。 虽然其用途广泛,但CRISPR序列的应用仍局限于实验室。尽管研究进展表明Cas9 / CRISPR可以在培养的感染细胞中剪辑艾滋病病毒相关基因,但这种技术仍然达不到用于临床应用的精确程度。因为它切断基因组的位置是有随机倾向的,易于产生有害的、非靶目标效应。 为了提高Cas9 / CRISPR的精度和准度以达到项目要求,Wolfe建议将其与其他技术融合以提高此方法的特异性。它可使CRISPR序列精确地剪辑艾滋病病毒DNA,而不会错误地剪切人类基因组。 利用Cas9 / CRISPR对抗艾滋病病毒还有另一阻碍,尽管研究人员或许了解病毒可能藏匿的地方,但他们仍不知如何在病毒潜伏感染的细胞中找到他。 “感染艾滋病病毒的细胞将永久性携带病毒基因组。它们如同定时炸弹,如果患者停止抗逆转录治疗,它们可在任何时候恢复活性”,首席合作研究员、医学博士Jeremy Luban说。他是马萨诸塞大学医学院艾滋病研究中心纪念David J. Freelander教授、分子医学系教授。 “为了在病毒潜伏状态时对其进行攻击,我们必须要了解病毒生存的地点和它生存所需的条件。” Luban和Wolfe将综合运用多种新技术,记录并合成能整合入宿主细胞的艾滋病病毒DNA,又被称为前病毒。描述这些潜伏感染细胞的基因特性可帮助研究人员鉴定易感且易得的基因序列,从而可以在一定程度上切除艾滋病病毒的基因,使 HIV 病毒长久地失去活性。 Luban表示:“许多科学家都在寻找可以激活病毒的方法,从而可使病毒暴露于免疫系统或药物之下。而我们选择了另一条途径,直接从休眠的细胞中分离、去除前病毒。” 有了潜伏感染细胞的基因模板,Wolfe就有可能利用其基因编码体系从细胞中除去病毒。这项计划可行性的一部分取决于人源化小鼠模型中的艾滋病病毒基因切除系统能否达到足够精确度;且该系统是否对被感染患者的细胞中的人类基因组不产生并行的损伤。 “Wolfe开发的新技术推动了此项目,但项目的潜在前提是利用基因工程设计一个系统,使之具备从感染细胞中切除艾滋病病毒基因的能力,” Luban说道,“希望能够开发出将药物直达人类免疫系统,并可以将藏匿病毒清除的方法。” Wolfe介绍道:“我们已经在马萨诸塞大学组建了一个研究团队,目的是能够更好地了解整合于免疫细胞内的潜伏艾滋病病毒的复杂结构,因为我们相信,这可以使我们更好地利用CRISPR技术在基因剪辑中瞄准艾滋病病毒。” (翻译:吕忠霖 审稿:杨倩) 来源: http://medicalxpress.com/news/2015-04-hiv-genome-crispr.html
个人分类: 临床研习|1944 次阅读|0 个评论
CRISPR先驱者荣获2015生命科学突破奖(修改稿)
热度 5 zhpd55 2014-11-19 21:54
CRISPR 先驱者荣获 2015 生命科学突破奖 诸平 据《 科学家 》( The Scientist )网站 2014 年 11 月 18 日 报道, 2015 生命科学突破奖 ,被 CRISPR 的先驱者荣获。下面的3人照片从左到右依次是 艾曼纽·卡彭特( Emmanuelle Charpentier )、詹妮弗·杜德纳( Jennifer Doudna )以及 维克托·安布罗斯( Victor Ambros )。 Alim-Louis Benabid en 2013 Gary Ruvkun 2015 年生命科学突破奖确认了六位科学家,艾曼纽·卡彭特( Emmanuelle Charpentier )、詹妮弗·杜德纳( Jennifer Doudna )、 维克托·安布罗斯( Victor Ambros ) 、阿里姆·路易斯·本纳比德( Alim Louis Benabid )、加里·鲁夫昆( Gary Ruvkun )以及 C. 戴维·阿里斯( C. David Allis ),其成就在于基因编辑、基因调控和帕金森氏症治疗方面的突出贡献。 300 万美元的奖项是由一群包括俄罗斯企业家尤里·米尔纳( Yuri Milner )及其夫人茱莉雅·米尔纳( Julia Milner )、脸书( Facebook )的创办人马克 • 扎克伯格 ( Mark Zuckerberg ) 及其夫人普莉希拉·陈( Priscilla Chan )、 谷歌公司的创始人谢尔盖 • 布林 ( Sergey Brin ) 和安妮 · 沃西基( Anne Wojcicki ) , 马云夫妇( Jack Ma and Cathy Zhang )等科技亿万富翁提供的。该奖项于 2014 年 11 月 9 日 在美国加利福尼亚的山景城举行了电视授奖仪式。由亿万富翁企业家共同设立的“科学突破奖”旨在奖励在生命科学等领域取得重要成就的科学家,给他们提供更自由和更多的机会,帮助他们取得更大的成就。每年的获得者将加入评选委员会,参与下一届获奖者的评选。 自 2013 年这一奖项首次颁发以来,已有多位科学家荣获了巨额奖金,最新的突破奖在物理学和生命科学外还增加了数学奖项,尤里·米尔纳本人表示我们的世界总是围绕体育和娱乐名人转。但科学名人可能进入不了前 200 或 300 名,这种排名结果与其贡献相比,极不对称。 本次生命科学突破奖获得者,德国亥姆霍兹感染研究中心( HelmholtzCenter for Infection Research in Germany )和瑞典于默奥大学( Umeå University in Sweden )的艾曼纽·卡彭特( Emmanuelle Charpentier )及美国加州大学伯克利分校( University of California, Berkeley )詹妮弗·杜德纳( Jennifer Doudna ),因为他们发现了 CRISPR 的细节而获奖 , CRISPR 是一种被广泛应用于基因工程的细菌抗病毒系统。另外还有法国约瑟夫·傅里叶大学( Joseph Fourier University in France )的神经外科医生阿里姆·路易斯·本纳比德,是因为将 深层脑部刺激术( deep-brain stimulation ) 作为帕金森症一种治疗方法而获奖;而美国麻省大学医学院( University of Massachusetts Medical School )的维克托·安布罗斯( VictorAmbros )和美国哈佛医学院( Harvard Medical School )的加里·鲁夫昆( Gary Ruvkun )是因为他们对 miRNAs ( microRNAs )调控基因研究的突出贡献而获奖。美国洛克菲勒大学( Rockefeller University )的 C. 戴维·阿里斯( C. David Allis )获奖原因,是因为特别在表观遗传学( epigenetics )、组蛋白( histone proteins )的共价修饰蛋白对基因调控和疾病有广泛影响方面的研究。 詹妮弗·杜德纳告诉《卫报》 ( The Guardian )说, 她得到获奖的信息,使她 “ 激动和震惊 , 同时也非常兴奋。我们的研究成果是在 2012 年发表了的,但是谁也没有预料到,它竟然会有如此的变革力。” CRISPR-Cas9 系统已经被证明是一种强大的研究工具 , 并显示有望作为一种基因治疗的方法, 治疗囊肿性纤维化( cystic fibrosis )和血液疾病( blood disorders )。 洛克菲勒大学的 C. 戴维·阿里斯( C. David Allis )告诉《卫报》说: “ 当你决定追求生命科学领域一个非常基本的问题如基因调控时 , 对于得到一个引人注目的突破奖从来就不抱任何希望。它显示了将科学研究作为一种事业是多么美妙绝伦。 ” 这种精神境界是何等的高尚和值得可敬,与那些魂牵梦绕,无时无刻不再想如何快步直奔领奖台的唯利是图者相比较,可以说有天壤之别!科学研究的真谛是探索未知,而不是获得何种奖项。更多阿里斯的信息请浏览 ( NASprofile.pdf )。 CRISPR 基因组编程技术是近两年兴起的一种新技术, 2013 年,两篇 Science 新闻开创了 CRISPR 基因组编辑技术的新时代,随后生命科学界刮起了 CRISPR 风暴,迄今为止 CRISPR 方法已迅速席卷了整个动物王国,成为 DNA 突变和编辑的一种重要技术。 CRISPR 全称为 clustered regularly interspersed short palindromic repeats ,是源于细菌及古细菌中的一种后天免疫系统,它可利用靶位点特异性的 RNA 指导 Cas 蛋白对靶位点序列进行修饰。直到今年,科学家们才开始利用这一系统在活体动物基因组中生成靶向突变,删除原有的基因或插入新基因。对于这一技术詹妮弗·杜德纳表示,“修改生物体基因特定部分的能力,对于增加我们对生物体的认知是必不可少的。这是该领域的一种巨大跨越,因为它意味着基本上任何人都能够使用这种基因编辑或者重新编写的技术带给哺乳动物基因变化。” 与过去数十年里进行基因工程的其它任何方法相比, CRISPR 技术的优点就在于它使用的是单一的酶。这种酶不需要改变你设定目标的每一个点,你只需要使用一个不同的 RNA 副本对它进行重新编辑,这很容易设计和实现。生命科学突破奖获得者中有几位科学家则分别是在遗传学, RNAi 等领域的突出贡献而获奖,如哈佛医学院遗传学教授加里·鲁夫昆 就是一位微小 RNA(miRNA) 研究领域的著名科学家,他曾发现了首例微小 RNA : lin-4 通过与目标信使 RNA 不完全碱基配对,来调控这些目标的翻译的机制,并发现了第二个微小 RNA —— let-7 ,以及它在动物(包括人类)系统发育中如何保护的。 2008 年获 拉斯克基础医学奖 ( Albert Lasker Basic Medical Research Award )。 miRNA 是一类非编码小 RNA ,其长度为 19 到 25 个核苷酸,在真核生物的多种发育和生理过程中发挥着重要的调节作用。加里·鲁夫昆等人就曾通过分析比较了 86 个不同真核基因组序列,分析了小 RNA 辅助因子的系统发生谱,并指出,在 RNA 剪接和小 RNA 介导的基因沉默之间存在密切关联。 The 2015 Breakthrough Prizes in Life Sciences The Breakthrough Prize in Life Sciences honors transformative advances toward understanding living systems and extending human life, with one prize dedicated to work that contributes to the understanding of Parkinson’s disease. Alim Louis Benabid , Joseph Fourier University, for the discovery and pioneering work on the development of high-frequency deep brain stimulation (DBS), which has revolutionized the treatment of Parkinson’s disease. C. David Allis , The Rockefeller University, for the discovery of covalent modifications of histone proteins and their critical roles in the regulation of gene expression and chromatin organization, advancing the understanding of diseases ranging from birth defects to cancer. Victor Ambros , University of Massachusetts Medical School, and Gary Ruvkun , Massachusetts General Hospital and Harvard Medical School, for the discovery of a new world of genetic regulation by microRNAs, a class of tiny RNA molecules that inhibit translation or destabilize complementary mRNA targets. Each received a $3 million award. Jennifer Doudna , University of California, Berkeley, Howard Hughes Medical Institute and Lawrence Berkeley National Laboratory, and Emmanuelle Charpentier , Helmholtz Center for Infection Research and Umeå University, for harnessing an ancient mechanism of bacterial immunity into a powerful and general technology for editing genomes, with wide-ranging implications across biology and medicine. Each received a $3 million award. 更多信息请浏览: https://breakthroughprize.org/?controller=Pageaction=newsnews_id=21
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[转载]CRISPR---高效获得水稻突变体的方法基因打靶
mengxb 2014-6-5 12:30
After transformation of the CRISPR/Cas9 constructs in rice callus and regeneration of transgenic plants, many Cas9-positive T0 plants were identified for each of the targets and these plants were analysed to detect mutations in the targeted sequence regions (Table 1 ). DSB must have happened in nearly half of the T0 plants tested because 44.4% of them carried mutations. Mutation rate varied in a wide range from target gene to target gene, that is, from 21.1% to 66.7%. For the two target sites in the same OsYSA gene, the difference was relatively small (43.1% and 66.7%). The CRISPR_Cas9 system produces specific and homozygous targeted gene editing in.pdf
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遗传学技术CRISPR引发的进步与隐忧
热度 3 tianyizhang6 2014-1-5 23:38
CRISPR 技术的应用与几十年前的内切酶技术有类似的地方:都是细菌用于抵抗病毒的工具。科学网上还是人才济济的,例如贺建奎博主在 2011 年就提到了 CRISPR 的机理,可惜没被加精。 http://blog.sciencenet.cn/blog-514529-436780.html 对于 CRISPR 技术我就不多讲了。有两点值得提一下。第一是华人科学家做出了重要贡献, MIT 的 FengZhang 在哺乳动物系统中, Oxford 的 JilongLiu 和清华的 JianquanNi 在果蝇中,做了很重要的工作。 第二是 CRISPR 可能引发的生物安全问题。目前已经广泛应用的 RNAi技术 的靶标是 mRNA ,而 CRISPR 通过 RNA 识别 DNA 序列然后再改变 DNA 序列。也就是说 CRISPR 的靶标要比 RNAi 广得多(编码 mRNA 的 DNA 序列只占总 DNA 的极少部分)。而且相同物种的个体之间的基因差异主要集中在 DNA 的非编码区。如果说 RNAi 成为一种生物武器还有很多瓶颈, CRISPR 大大地降低了这些限制。换言之,有可能可以制造出一种含有 CRISPR 系统的病毒特异地作用于携带某一特定序列的人群,例如某一家族。 对于第二点,似乎还没有引起广泛的关注,我想与更多专业人士交流。
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前沿生物研究热点细菌获得性免疫CRISPR
热度 2 jiankuihe 2011-4-24 15:38
前沿生物研究热点细菌获得性免疫CRISPR
没有人愿意两次掉进同一个陷阱,同样,生物体也进化出了各种机制防治被同一种病毒感染两次。人体以及其他高等生物产生的抗体能够记住他们感染过的病毒,从而防止第二次感染。最近三年来,研究人员惊奇的发现,单细胞的细菌也有类似的 ” 记忆性 ” 免疫叫做 ”CRISPR” 。这个故事起源于 2007 年,有一家出售用于生产酸奶的细菌的农业科技公司,客户反馈说他们收到的部分细菌感染了病毒,不能进行酸奶发酵。于是这家公司派出一个研究小组去调查此事。研究员同时对两类酸奶细菌做 DNA 测序。第一类是正常的对病毒免疫的好细菌,第二类是容易被病毒感染的不好的细菌。他们发现这两类细菌 DNA 唯一不同的是,在第一类细菌的 DNA 上多出了一小段,而且有意思的是这一小段 DNA 竟然和他们免疫的病毒完全吻合。后来一系列实验证明,就是这一小段 DNA ,就像是一个标签,让细菌记住了这个病毒。 这个实验发表之后引起了极大的轰动,由于是一个全新的领域,很多的问题暂时无法理解。但大概的思路是这样的。当病毒入侵进入细菌时,细菌的一个蛋白复合体能够截取一小段病毒的 DNA ,大约 20 个碱基 . 这一小段 DNA 能够镶嵌在细菌自己的基因组上 , 并在细菌复制时传给下一代。当同样的病毒试图再次入侵此细菌时,这一小段 DNA 就会被转录成 RNA ,并且和外来的病毒 DNA 配对,如果碱基配对完全正确的话,细菌就会激活一个清除机制来清除此外来的病毒,从而防止被感染。 我是 2010 三月份时开始进入这个领域的。我们发现, CRISPR 具有更新换代的机制。简单说,细菌不可能一直不停的获取病毒 DNA 片段,并插入到自己的 DNA 中,这样的话细菌的 DNA 就会无限制的增长了。一个细菌平均只能保留 20 个病毒 DNA 片段,那些老一点的片段就会慢慢的从细菌的 DNA 中删掉。新的 DNA 片段源源不断的添加进来,保证 CRISPR 能提供最新的免疫。--Jiankui He and Michael Deem, Phys.Rev.Lett.105:198701 (2010) 关于 CRISPR 的研究还处于起始阶段,所有相关的文献不过 20 篇。但是这是一个全新的免疫的机制,它在细菌抗药性,细菌的基因转接等等方面有着巨大的潜在应用。免疫这一方向已经发了四个诺贝尔奖了,比如说我的合作者之一的 Andrew Fire 就因 RNAi 获奖, CRISPR 的发现很有可能再拿一个诺贝尔奖。 CRISPR
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