分享

CRISPR/Cas9基因编辑(一)

 生物_医药_科研 2019-06-07

CRISPR/Cas9是第三代“基因组定点编辑技术”。利用CRISPR酶对人类DNA进行切割,能够人为的有效改变人类DNA的变化和突变,从而达到基因治疗疾病的目的。

CRISPR-Cas9基因编辑技术与前两代技术相比,以其简易、高效和多样化的特点迅速成为生命科学最热门的技术,迅速风靡于世界各地的实验室,成为科研、医疗等领域的有效工具。CRISPR/Cas9技术被认为能够在活细胞中最有效、最便捷地“编辑”任何基因, 特别是用于人类疾病的相关基因治疗中,被誉为现代人类医学最具潜在变革性的创举之一。

CRISPR/Cas9基因编辑技术应用广泛,在各个生物生物领域都有涉及,如:

  1.   建立基因敲除小鼠模型:基因打靶小鼠,如敲除小鼠肿瘤抑制基因Pten和Apc,得到小鼠的肺癌模型。

  2. 精准医疗:基因编辑技术可以准确地修正引起疾病的突变基因,达到基因治疗效果。例如用iPS 细胞治疗人类的镰刀型贫血症,可以将病人的皮肤细胞诱导成iPS 细胞,然后利用CRISPR/Cas9 突变型的切口酶来介导同源重组修复突变的血红蛋白基因,再将修复的iPS 细胞定向诱导分化为造血干细胞移植到病人体。

  3. 微生物基因组改造:优化微生物基因的表达和调节,提高化学、生物产品的产量。

  4. 疾病建模和器官供体培育:基因治疗可实现在患者自身细胞中纠正遗传缺陷,如突变病人体中突变的基因调控元件、转录因子、细胞因子等产生急性骨髓白血病模型。

  5. 植物育种:改良作物性状等,如用CRISPR/Cas9技术敲掉一个小麦基因,得到了耐白粉病(Powdery mildew) 小麦新品种。

  6. 建立sgRNA 文库,筛选某些有特定功能的基因。

  7. 消灭害虫:CRISPR可以帮助我们控制传染病传播或入侵特定生态系统的动物物种的数量。

CRISPR/Cas9 system是 crRNA(CRISPR-derived RNA )通过碱基配对与 tracrRNA (trans-activating RNA )结合形成 tracrRNA/crRNA 复合物,此复合物引导核酸酶 Cas9 蛋白在与 crRNA 配对的序列靶位点剪切双链 DNA。

       Cas9 蛋白是一种双链DNA核酸酶,能在guide RNA引导下对靶位点进行切割。它与folk酶功能类似,但它不需要形成二聚体才能发挥作用。Cas9蛋白含有两个核酸酶结构域,可以分别切割DNA 两条单链。Cas9 首先与crRNA 及tracrRNA 结合成复合物,然后通过PAM(protospacer-adjacentmotif)序列结合并侵入DNA,形成RNA-DNA 复合结构,进而对目的DNA 双链进行切割,使DNA 双链断裂。通过人工设计改造形成具有引导作用的sgRNA (singleguide RNA ),足以引导 Cas9 对 DNA 的定点切割。

PAM是由3个成对碱基构成的序列,靠近靶DNA序列3' 末端,序列结构为5’-NGG-3’,在所有的基因中可以大量找到靶点,因此得到广泛的应用。

人类基因组中平均每8bp即可出现一个PAM

sgRNA设计方法

利用CRISPR/Cas9 进行基因的编辑,首先要构建有效的 sgRNA。一般地,基因特异的 sgRNA 模板序列为位于 PAM 序列前间区序列邻近基序。这是一种见于 crRNA 分子的短核苷酸基序,可以被 Cas9 蛋白特异性识别并切割的 20 个 nt。而 PAM 序列的特征为 NGG(其中 N 为任意核苷酸)。

设计网站:http://crispr./

sgRNA 设计一些要点:

  • sgRNA 的长度为20 nt ,不包括PAM 序列(NGG);

  • 对于sgRNA 序列的碱基组成,可选3'末端含GG 的sgRNA,同时sgRNA 种子序列尽量避免以4 个以上的T结尾, GC%含量最佳为35%~65%;

  • 基因敲除:对于sgRNA 靶向基因的结合位置,为提高敲除效率,建议选择双gRNA敲除基因中的一段序列,造成基因移码突变,最好位于第一或第二外显子;

  • 如果构建U6 或T7 启动子驱动sgRNA 的表达载体,需考虑sgRNA 的5' 碱基为G或GG,以提高其转录效率。

CRISPR/Cas9 基因编辑流程

确定基因编辑类型

对基因组进行基因编辑,首先需要确定我们要进行的基因编辑类型,基因编辑类型一般包括敲除,敲入,修饰和点突变。CRISPR/Cas9 基因编辑需要在细胞核内存在含有靶点gRNA及Cas9 蛋白形成的RNP 复合体。可以选择基因编辑质粒载体、病毒、体外转录gRNA 和Cas9 mRNA、化学合成gRNA和表达纯化的Cas9 蛋白。如图:

吉玛基因gRNA载体类型及用途简介

序号

载体类型

载体名称

大小(bp

原核抗性

gRNA数量

1

常规载体

pU6gRNA

3120

Amp

/

2

常规载体

pU6gRNACas9

8461

Amp

/

3

常规载体

pU6gRNA1Cas9U6gRNA2

8677

Amp

4

常规载体

pU6gRNA1Cas9H1gRNA2

8639

Amp

5

常规载体

pU6gRNACas9puro

9112

Amp

/

6

常规载体

pU6gRNA1Cas9puroU6gRNA2

9328

Amp

7

常规载体

pU6gRNACas9EGFP

9232

Amp

/

8

常规载体

pU6gRNA1Cas9EGFPU6gRNA2

9448

Amp

9

慢病毒包装

LV5-gRNACas9

13955

Amp

/

10

慢病毒包装

LV6-EGFP&Puro-gRNACas9

13594

Amp

/

11

慢病毒包装

LV1-EGFP-gRNA

7677

Amp

/

12

慢病毒包装

LentiV2-gRNACas9Puro

 14000

Amp

/

13

慢病毒包装

LentiV2-gRNACas9EGFP

 14873

Amp

/

14

体外转录

pT7Cas9

8488

Amp

15

体外转录

pSp6Cas9

8482

Amp

16

体外转录

pT7-gRNA

2845

Amp

17

体外转录

pSp6-gRNA

2839

Amp

pU6gRNACas9EGFP载体说明及用途:同时表达gRNA和Cas9,可以对基因组单位点进行断裂;表达GFP可确定转染效率并用于富集转染成功细胞。

LV1-gRNA载体说明及用途:该载体用于慢病毒包装,包括GFP原件,表达gRNA,可用于针对已经稳定表达Cas9的细胞或物种的基因编辑。

LentiV2-gRNACas9puro载体说明及用途:该载体用于慢病毒包装,包括puro原件,表达Cas9,可用于构建稳定表达Cas9细胞株。

pT7-gRNA载体说明及用途:T7启动子后接gRNA,插入靶序列后,可以用于体外转录得到gRNA。


    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多