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1、CRISPR基因编辑技术教程自从证明DNA是遗传物质以后，人类就开始了通过改变DNA来改造生物体生理机理和功能的尝试。 1973 1973年，斯坦利年，斯坦利NN科恩科恩(Stanley N. Cohen)(Stanley N. Cohen)和赫伯特和赫伯特WW博耶博耶(Herbert W. Boyer)(Herbert W. Boyer) 成功将蛙的成功将蛙的DNADNA插入到细菌中。插入到细菌中。 20 20世纪世纪7070年代，基因泰克年代，基因泰克(Genetech)(Genetech)公司对大肠杆菌进行基因改造，公司对大肠杆菌进行基因改造，使其带有一个人源基因使其带有一个人源基因(
2、(这个基因是人工合成的这个基因是人工合成的) )，最后生产出治疗糖，最后生产出治疗糖尿病的胰岛素。尿病的胰岛素。 19741974年，加利福尼亚州索克生物研究所年，加利福尼亚州索克生物研究所(Salk Institute for (Salk Institute for Biological Studies)Biological Studies)的的Rudolf JaenischRudolf Jaenisch通过将通过将SV40 SV40 病毒的病毒的DNADNA注射注射到小鼠的囊胚中到小鼠的囊胚中, ,培育出了第一只转基因小鼠。培育出了第一只转基因小鼠。历史历史p1993年前ZFN就已开始出现
3、，迄今已发展了20多年才有今天的成就；p2009年底出现的TALEN似乎一夜之间呈现出取代ZFN的架势；p2012年底CRISPR/Cas已显现出取代TALEN的巨大潜力，在2013年成为现实。荣誉荣誉1.2011年：ZFN， TALEN和Meganuclease2011年度方法（Nature Methods）2.2012年：TALEN 2012年十大突破（Science）3.2013年：CRISPR/Cas被认为是诺贝尔奖级别的成果，华人科学家张峰已因此获得生物医学大奖。基因组编辑技术基因组编辑技术应用应用p基因组巡航导弹，分子剪刀，DNA外科医生p定点突变，定点修饰（包括得到转基因），转录
4、调控p基因治疗（如遗传病）基因编辑的三大利器基因编辑的三大利器ZFN(Zinc-finger nucleases, ZFN)TALEN（transcription activator-like effector nucleases)CRISPR/Cas(clustered regulatory interspaced short palindromic repeat /Cas-based RNA-guided DNA endonucleases）特异性特异性DNA识别域识别域非特异性非特异性核酸内切酶核酸内切酶+ZFN原理原理ZFN=蛋白的蛋白的DNA识别域识别域+核酸内切酶核酸内切酶DNA识
5、别域：识别域：由由一一系系列列Cys2-His2锌锌指指蛋蛋白白（zinc-fingers）串串联联组组成成（一一般般34个个），每每个锌指蛋白识别并结合一个特异的三联体碱基。个锌指蛋白识别并结合一个特异的三联体碱基。8核酸内切酶：核酸内切酶： 非特异性核酸内切酶非特异性核酸内切酶FokI，形成二聚体时形成二聚体时切割双链切割双链DNA 两条两条ZFN之间具有被称为之间具有被称为“间隔区间隔区”的的spacer结构，该结构的长度以结构，该结构的长度以56bp为为宜，宜，7bp也能正常工作，合理的也能正常工作，合理的“间隔区间隔区”设计才能保证设计才能保证ZFN二聚体拥有最佳二聚体拥有最佳的工作
6、空间。的工作空间。9ZFN技术的缺陷技术的缺陷DNADNA识别域虽然具有较强的特异性识别能力，但是其识别域虽然具有较强的特异性识别能力，但是其识别的序列长度识别的序列长度比较有限比较有限。因为因为ZFNZFN剪切的过程剪切的过程不完全依赖同源二聚体的形成不完全依赖同源二聚体的形成，所以一旦形成异，所以一旦形成异源二聚体，就很可能造成源二聚体，就很可能造成脱靶效应脱靶效应；如果出现脱靶，可能导致如果出现脱靶，可能导致DNADNA的错配和序列改变，产生较强的细胞毒的错配和序列改变，产生较强的细胞毒性。当这些不良影响积累过多，超过细胞修复机制承受的范围时，便性。当这些不良影响积累过多，超过细胞修复机
7、制承受的范围时，便会引起细胞的凋亡。会引起细胞的凋亡。另一方面，该手段在细胞内部操作的精确程度不足，则可能会引起相另一方面，该手段在细胞内部操作的精确程度不足，则可能会引起相关基因突变，引发癌症等。关基因突变，引发癌症等。ZFN ZFN 作为基因治疗的手段之一，如果在生物体内使用，可能会作为基因治疗的手段之一，如果在生物体内使用，可能会引发免引发免疫反应疫反应。而现有的研究手段尚不能预测引入的。而现有的研究手段尚不能预测引入的ZNFZNF蛋白是否会引起免蛋白是否会引起免疫系统的进攻。疫系统的进攻。到目前为止，到目前为止，ZFNZFN技术只能用于体外操作（技术只能用于体外操作（in vitroi
8、n vitro），在对人体提），在对人体提取的细胞进行处理之后，再导入回输到病人体内。取的细胞进行处理之后，再导入回输到病人体内。TALENTALENTALEN（Transcriptionactivator-likeeffectors）:一种源于植物致病菌一种源于植物致病菌的靶向基因操作技术。的靶向基因操作技术。科学家发现，来自植物细菌科学家发现，来自植物细菌Xanthomonassp.(黄单胞菌黄单胞菌)的的TAL蛋白的核蛋白的核酸结合域的氨基酸序列与其靶位点的核酸序列有恒定的对应关系酸结合域的氨基酸序列与其靶位点的核酸序列有恒定的对应关系,一个模块一个模块单元识别一个碱基，简单且特异性极好
9、。单元识别一个碱基，简单且特异性极好。通过组合各类模块，可对任意核苷酸序列进行靶向特异性敲除或内源基因通过组合各类模块，可对任意核苷酸序列进行靶向特异性敲除或内源基因的表达调控。的表达调控。目前已在人、大鼠、小鼠、猪、羊、斑马鱼、拟南芥及酵母等多类物种中目前已在人、大鼠、小鼠、猪、羊、斑马鱼、拟南芥及酵母等多类物种中得到成功应用。得到成功应用。TALEN原理典型的典型的TALEN由一个包含由一个包含核定位信号核定位信号（NLS）的）的N端结构域、一个包含可识别特定端结构域、一个包含可识别特定DNA序列的典型序列的典型串联串联TALE重复序列重复序列的中央结构域，以及一个具有的中央结构域，以及一
10、个具有FokI核酸内切酶核酸内切酶功功能的能的C端结构域组成。端结构域组成。DNA识别域：识别域：由一系列由一系列TAL蛋白串联组成（一般蛋白串联组成（一般20个左右），每个个左右），每个TAL蛋白识蛋白识别并结合一个对应的碱基。别并结合一个对应的碱基。核酸内切酶：核酸内切酶：非特异性核酸内切酶非特异性核酸内切酶FokI，形成二聚体时切割双链，形成二聚体时切割双链DNA全长为全长为34aa的的Tal 蛋白的第蛋白的第12、13位氨基位氨基残基可以特异性识别核苷酸碱基残基可以特异性识别核苷酸碱基。 NG可以识别可以识别T HD可以识别可以识别C NI可以识别可以识别A NN可以识别可以识别G或或
11、A通过这种特异性识别，将多个通过这种特异性识别，将多个Tal蛋白组蛋白组装在一起，就可以构成可以识别目的片装在一起，就可以构成可以识别目的片段的段的Tale蛋白。蛋白。TALEN原理原理TALENTALEN的特异性打靶的原理：的特异性打靶的原理：一对可以特异性识别靶基因的一对可以特异性识别靶基因的TALETALE，定位到需要编辑的基因组区域；，定位到需要编辑的基因组区域；然然后后非非特特异异性性核核酸酸内内切切酶酶FokIFokI切切断断双双链链DNADNA从从而而造造成成DNADNA双双链链断断裂裂（double-double-strand breakstrand break，DSBDSB）
12、；）；再通过再通过DNADNA的自我修复，引起碱基的缺失或突变，从而引起基因突变。的自我修复，引起碱基的缺失或突变，从而引起基因突变。FokIFokI只有在形成二聚体的时候才有内切酶活性。只有在形成二聚体的时候才有内切酶活性。TALEN原理原理TALEN介导的基因编辑TALEN质粒对共转入细胞后，表达两个融合蛋白，分别与靶位点特异结质粒对共转入细胞后，表达两个融合蛋白，分别与靶位点特异结合，由于两个合，由于两个TALEN融合蛋白中的融合蛋白中的FokI临近，形成二聚体，发挥非特异临近，形成二聚体，发挥非特异性内切酶活性，在两个靶位点之间剪切性内切酶活性，在两个靶位点之间剪切DNA。形成形成DS
13、B时，同源重组可将需要敲入的序列组合入基因组。时，同源重组可将需要敲入的序列组合入基因组。TALENTALEN的技术特点的技术特点任意敲除任意敲除，无基因序列、细胞、物种限制，永久失活，无基因序列、细胞、物种限制，永久失活成功率高成功率高，在保证转染效率的前提下，有效性可达，在保证转染效率的前提下，有效性可达95%95%以上以上打靶效率高打靶效率高，可完全替代，可完全替代RNAiRNAi技术技术脱靶率低脱靶率低，尚未发现明显脱靶效应，尚未发现明显脱靶效应技术简单技术简单，只需按照常规构建质粒方法构建，只需按照常规构建质粒方法构建TalenTalen质粒质粒CRISPR/Cas 9 背景背景 C
14、RISPR是生命进化历史上，细菌和病毒进行斗争是生命进化历史上，细菌和病毒进行斗争产生的免疫武器，简单说就是病毒能把自己的基因整合产生的免疫武器，简单说就是病毒能把自己的基因整合到细菌内，利用细菌的细胞工具为自己的基因复制服务，到细菌内，利用细菌的细胞工具为自己的基因复制服务，细菌为了将病毒的外来入侵基因清除，进化出很多成簇细菌为了将病毒的外来入侵基因清除，进化出很多成簇的、规律间隔的短回文重复序列的、规律间隔的短回文重复序列( (既既CRISPR序列序列) )和和CRISPR相关基因，这一序列首先由日本学者于相关基因，这一序列首先由日本学者于1987年年首次发现首次发现(1)，于，于2002
15、年被年被Jansen等将正式命名等将正式命名(。 CRISPR-Cas系统简介系统简介 CRISPR-Cas系统的研究历史系统的研究历史p1987 年，日本课题组在年，日本课题组在K12 大肠杆菌的碱性磷酸酶基因附近发现串联间大肠杆菌的碱性磷酸酶基因附近发现串联间隔重复序列，随后发现其广泛存在于细菌和古细菌的基因组中。隔重复序列，随后发现其广泛存在于细菌和古细菌的基因组中。2002 年，年，正式将其命名为正式将其命名为成簇的规律间隔的短回文成簇的规律间隔的短回文重复序列重复序列p2005 年发现年发现CRISPR 的间隔序列的间隔序列(spacer)与宿主菌的染色体外的遗传物质与宿主菌的染色体
16、外的遗传物质高度同源，推测细菌可能通过高度同源，推测细菌可能通过CRISPR 系统可能以类似于真核生物的系统可能以类似于真核生物的RNAi 方式抵抗外源遗传物质的入侵。方式抵抗外源遗传物质的入侵。p2007 年，年，Barrangou 等首次发现细菌可能利用等首次发现细菌可能利用CRSPR 系统抵抗噬菌体入系统抵抗噬菌体入侵；侵；2008 年，年，Marraffini 等发现细菌等发现细菌CRISPR 系统能阻止外源质粒的转系统能阻止外源质粒的转移，首次利用实验验证了移，首次利用实验验证了CRISPR 系统的功能系统的功能p2013 年初，年初，MIT 的研究组首次利用的研究组首次利用CRIS
17、PR/Cas9 系统对人系统对人293T 细胞细胞EMX1 和和PVALB 基因以及小鼠基因以及小鼠Nero2A 细胞细胞Th 基因实现了定点突变。同基因实现了定点突变。同年年Mali 利用利用CRISPR/ Cas9 在人在人293T 细胞和细胞和K652 细胞基因的靶位点形成细胞基因的靶位点形成双链或单链的切口，从而激活细胞的双链或单链的切口，从而激活细胞的DNA 修复机制高效介导外源基因定修复机制高效介导外源基因定点插入。点插入。由这些序列和基因组成的系统我们称之为由这些序列和基因组成的系统我们称之为CRISPR/Cas系统，而在这个系统中常用到系统，而在这个系统中常用到的核酸内切酶为的
18、核酸内切酶为Cas9, ,所以通常称该系统所以通常称该系统CRISPR/Cas9 系统。利用这个系统，细菌系统。利用这个系统，细菌可以不动声色地把病毒基因从自己的染色可以不动声色地把病毒基因从自己的染色体上切除，这是细菌特有的免疫系统。体上切除，这是细菌特有的免疫系统。CRISPR/Cas 9 背景背景CRISPR/Cas 9概述概述CRISPR-Cas：一种来源是：一种来源是细菌菌获得性免疫的由得性免疫的由RNA指指导Cas蛋白蛋白对靶向基因靶向基因进行修行修饰的技的技术。 CRISPR-Cas系统的结构系统的结构pCRISPR-CAS 系统的组成主要包括: 由不连续的重复序列R( repe
19、at) 与长度相似的间区序列S( spacers) 间隔排列而成的CRISPR 簇，前导序列L( leader) 以及一系列CRISPR 相关蛋白基因cas。 CasCas蛋白是一种双链蛋白是一种双链DNADNA核酸酶，能在核酸酶，能在guide RNAguide RNA引导下对靶位点进行切割。它引导下对靶位点进行切割。它与与folkfolk酶功能类似，但是它并不需要形成酶功能类似，但是它并不需要形成二聚体才能发挥作用。二聚体才能发挥作用。CRISPR/Cas系统的基本结构系统的基本结构识别作用识别作用切割作用切割作用 CRISPR系统通常包括：由不连续的重复序列（系统通常包括：由不连续的重复
20、序列（repeats，R）与长度相似的间区序列（）与长度相似的间区序列（spacers，S）间隔排列而成的）间隔排列而成的CRISPRCRISPR簇，前导序列簇，前导序列( (leader，L)以及一系列的以及一系列的CRISPR相关蛋相关蛋白基因白基因(cas)(cas)。 Cas（CRISPR associated）：存在于）：存在于CRISPR位点附近，是位点附近，是一种双链一种双链DNA核酸酶，能在核酸酶，能在guide RNA引导下对靶位点进行切割。引导下对靶位点进行切割。它不需要形成二聚体才能发挥作用。它不需要形成二聚体才能发挥作用。CRISPR的转录与加工的转录与加工CRISPR
21、簇首先转录成长的转录体，即（簇首先转录成长的转录体，即（crRNA），然后），然后逐步被加工成小的逐步被加工成小的 crRNA。CRISPR/Cas 9作用机理作用机理CRISPR/Cas 9作用机理作用机理PAMPAM（NGGNGG序列）序列）序列）序列）CRISPR/Cas 9系统靶向要求系统靶向要求最主要的要求：最主要的要求：PAM（protospacer-adjacent motif）为）为NGG。在人。在人类基因组中，平均每类基因组中，平均每8bp就出现一个就出现一个NGG PAM。CRISPR/Cas 9基因编辑实验流程图基因编辑实验流程图CRISPR/Cas 9的技术应用的技术应
22、用应用于基因的敲除、敲入以及基因沉默、激活等。应用于基因的敲除、敲入以及基因沉默、激活等。能够在真核细胞中发挥作用，使真核基因组中的特能够在真核细胞中发挥作用，使真核基因组中的特异性位点发生双链断裂。异性位点发生双链断裂。在模式生物中的应用在模式生物中的应用: :成功地对线虫成功地对线虫( (左左) )、斑马鱼胚胎（中）和果蝇进行遗传学改造，斑马鱼胚胎（中）和果蝇进行遗传学改造，获得更粗短的线虫，腹部组织体积更大的获得更粗短的线虫，腹部组织体积更大的斑马鱼胚胎，和眼睛颜色更深的果蝇，表斑马鱼胚胎，和眼睛颜色更深的果蝇，表明明CRISPR技术在动物基因改造方面有巨技术在动物基因改造方面有巨大应用
23、潜力。大应用潜力。中国科学院遗传所中国科学院遗传所高彩霞团队：成功高彩霞团队：成功地使三种水稻基因地使三种水稻基因失活。失活。近日，中国科学家利用基因编辑技术CRISPR/Cas9，对抑制狗骨骼肌生长的基因（MSTN）进行了敲除，培育出两只肌肉发达的“大力神”狗，成功构建了世界首个基因敲除狗模型。CRISPR/Cas 9的技术应用的技术应用三大基因修饰技术比较三大基因修饰技术比较CRISPR/Cas 9系统的优势系统的优势操作简单，靶向精确性更高。操作简单，靶向精确性更高。sgRNA靶向序列和基因组序列靶向序列和基因组序列必须完全匹配，必须完全匹配，Cas9才会对才会对DNA进行剪切。编码进行
24、剪切。编码sgRNA 的序的序列不超过列不超过100bp，因此比构建，因此比构建TALENs和和ZENs更简单方便，用更简单方便，用于于CRISPR的的sgRNA识别序列仅需识别序列仅需2020个核苷酸。个核苷酸。CRISPR/Cas9系统是由系统是由RNA调控的对调控的对DNA的修饰，其基因修的修饰，其基因修饰可遗传。饰可遗传。基因修饰率高，基因修饰率高，CRISPRs基因敲入的效率为基因敲入的效率为51%-79%，TALENs的效率为的效率为0%-34%。基因调控方式多样，例如敲除、插入、抑制、激活等基因调控方式多样，例如敲除、插入、抑制、激活等无物种限制无物种限制, ,可实现对靶基因多个
25、位点同时敲除。可实现对靶基因多个位点同时敲除。实验周期短，最快仅需实验周期短，最快仅需2个月，节省大量时间和成本。个月，节省大量时间和成本。(ZFNS(ZFNS一个靶点成本一个靶点成本60006000) )CRISPR/Cas 9系统的评价系统的评价参考文献：参考文献：1 Y. Ishino, H. Shinagawa, K. Makino, M. Amemura, A. Nakata, Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escheric
26、hia coli, and identification of the gene product. Journal of bacteriology 169, 5429-5433 (1987).2 R. Jansen, J. D. A. v. Embden, W. Gaastra, L. M. Schouls, Identification of genes that are associated with DNA repeats in prokaryotes. Molecular microbiology 43, 1565-1575 (2002).3方锐,畅飞,孙照霖,李宁,孟庆勇. CRISPR/Cas9介导的基因组定点编辑技术J. 生物化学与生物物理进展,2013,08:691-702.4李君,张毅,陈坤玲,单奇伟,王延鹏,梁振,高彩霞. CRISPR/Cas系统:RNA靶向的基因组定向编辑新技术J. 遗传,2013,11:1265-1273.5沈彬. 利用CRISPR/Cas9进行基因编辑D.南京大学,2014.谢谢欣赏谢谢欣赏欢迎批评指正欢迎批评指正结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！34
