三代基因组编辑技术

基因组编辑技术 基因组编辑技术的介绍 基因组编辑技术是一种可以在基因组水平上对DNA序列进行改造的遗传操作技术 这种技术的原理是构建一个人工内切酶 在预定的基因组位置切断DNA 切断的DNA在被细胞内的DNA修复系统修复过程中会产生突变 从而达到定点改造基因组的目的 通过修复途径 基因组编辑技术可以实现三种基因组改造 即基因敲除 特异突变的引入和定点转基因基因组编辑是研究基因功能的重要手段之一 也可被用于人类遗传性疾病的治疗 因此这类技术成为现代分子生物学的研究热点 基因组编辑三大利器 介绍 ZFN Zinc fingernucleases锌指核糖核酸酶TALENs transcriptionactivator likeeffectornucleases转录激活因子样效应物核酸酶CRISPR Cas9 clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats成簇的规律间隔的短回文重复序列 CRISPR associated9 ZincFingerNuclease ZFN 是一种常出现在DNA结合蛋白质中的一种结构基元 锌螯合在氨基酸链中形成锌的指状结构 对基因调控起重要的作用 根据其保守结构域的不同 可将锌指蛋白主要分为C2H2型 C4型和C6型 锌指通过与靶分子DNA RNA DNA RNA的序列特异性结合 以及与自身或其他锌指蛋白的结合在转录和翻译水平上调控基因的表达 细胞分化以及胚胎发育 结构 24 30个氨基酸残基 形成 二级结构 两保守的半胱氨酸和组氨酸配位一个锌原子 WhatisaZincFinger Zincfingernuclease ZFN 由一个DNA结合域 DNA bindingdomain 和一个非特异性核酸内切酶Fok1构成 DNA结合域是由一系列Cys2 His2锌指蛋白 zinc fingers 串联组成 一般3 4个 每个锌指蛋白识别并结合一个特异的三联体碱基 Genetics Vol 188 773 782 ZFNmediatedgenomeediting FOK1二聚体互作与非同源性末端接合 Non homologousendjoining NHEJ 和同源重组 HomologousRecombination 等方法结合使用同源二聚体或单一ZFN单元的结合造成非特异性酶切 即脱靶效应 off target ZFNmediatedgenomeediting ZFN的限制性 已建有ZFN库 识别多种DNA序列 但不能达到识别任意靶DNA 其应用受到限制 细胞毒性 大量脱靶位点的出现导致基因组的破坏构建繁琐 识别特性决定构建难度大 时间长 Transcriptionactivatorlikeeffectornuclease TALEN PlantBacterialTALEffector 发现 1989年 植物病原体黄担保菌属 Xanthomonasspp avrbs3基因发展 2007年 发现其序列特异性核酸结合特性 avvrBs3 TA 2009年 TALeffector氨基酸序列与核酸靶序列的密码被破译 应用 2011年 NatureBiotechonlogy同时发辫四篇TALEN基因敲除文章和一篇综述 FunctionaldomainsofXanthomonasTALeffectors N 端包括一个移位子信号C 端包括一个核定位信号和转录激活域中间的重复序列决定其特异性ThenumberofrepeatsinTALeffectorsvariesbetween1 5and33 5Thegeneralrepeatlengthis34aa TAL效应蛋白的不同结构功能域 CodeofDNABindingSpecificityofTAL TypeIIIEffectors 一系列 12或以上 串联重复序列构成识别元件每个重复有34个氨基酸残基除12和13位其余都高度保守重复序列可变的双氨基酸残基 repeat variablediresidues RVD NI A HD C NN G A andNG T Origin bacteriumFlavobacteriumokeanokoites海床黄杆菌由一个N 端DNA识别域和C端剪切域组成FokI二聚化才有剪切活性 StructureoftheFokIdimer FokI Talenucleases TALENs hybridproteinscomposedofTALeffectorsandFokIDNA cleavagedomain 16 TheprincipleofTALEN mediatedgenetargeting 基本原则 利用TALEN在特定位点创造DSB 利用细胞HR 同源重组 修复机制实现基因修饰 利用细胞NHEJ 非同源性末端接合 修复机制实现基因修饰 TALENs的优缺点 TALEN技术是一种崭新的分子生物学工具 利用TAL的序列模块 可组装成特异结合任意DNA序列的模块化蛋白 从而达到靶向操作内源性基因的目的 它克服了ZFN方法不能识别任意目标基因序列 以及识别序列经常受上下游序列影响等问题 而具有ZFN相等或更好的灵活性 使基因操作变得更加简单方便 然而 构建过程中 TALE分子的模块组装和筛选过程比较繁杂 需要大量的测序工作 对于普通实验室的可操作性较低 CRISPR Cas9system CRISPR Cas系统简介 CRISPR Cas系统的研究历史1987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 正式将其命名为成簇的规律间隔的短回文重复序列2005年发现CRISPR的间隔序列 spacer 与宿主菌的染色体外的遗传物质高度同源 推测细菌可能通过CRISPR系统可能以类似于真核生物的RNAi方式抵抗外源遗传物质的入侵 2007年 Barrangou等首次发现细菌可能利用CRSPR系统抵抗噬菌体入侵 2008年 Marraffini等发现细菌CRISPR系统能阻止外源质粒的转移 首次利用实验验证了CRISPR系统的功能2013年初 MIT的研究组首次利用CRISPR Cas9系统对人293T细胞EMX1和PVALB基因以及小鼠Nero2A细胞Th基因实现了定点突变 同年Mali利用CRISPR Cas9在人293T细胞和K652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DNA修复机制高效介导外源基因定点插入 CRISPR Cas系统的结构 CRISPR CAS系统的组成主要包括 由不连续的重复序列R repeat 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 Cas蛋白是一种双链DNA核酸酶 能在guideRNA引导下对靶位点进行切割 它与folk酶功能类似 但是它并不需要形成二聚体才能发挥作用 CRISPR CAS系统的作用机理 CRISPR CAS系统的作用机理 CRIPSR基因座的表达 包括转录和转录后的成熟加工 当该噬菌体再次入侵细菌时 CRISPR簇首先转录为长的crRNA前体 然后逐步被加工成小的成熟的crRNA CRISPR Cas系统活性的发挥或者是对外源遗传物质的干扰crRNA结合相关的Cas蛋白后 形成crRNA Cas蛋白复合体 通过碱基互补配对精确地与目标DNA相结合 随后Cas蛋白对目标DNA进行断裂和降解 GuideRNA crRNA CRISPR derivedRNA 通过碱基配对与tracrRNA trans activatingcrRNA 结合形成tracrRNA crRNA复合物 通过人工设计这两种RNA 可以改造形成具有引导作用的sgRNA shortguideRNA Cas9 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 HNH结构域剪切配对的部分 Ruvc结构域剪切未配对的链 N代表任意DNA碱基 MechanismofCRISPR Cas9totargetDNA 蛋白质 核酸聚合物 CRISPR Cas在基因改造中的应用 CRISPR Cas系统的作用特性与限制性核酸内切酶相似 它对序列的特异性切割主要依赖于crRNA与Cas蛋白形成的核糖核蛋白复合物识别靶序列上的PAM Protospacer adjacentMotif 以及protospacer发现tracrRNA对靶点的识别和切割是必需的 tracrRNA的5 端与成熟的crRNA3 端有部分序列 约13bp 能够配对进而形成茎环结构 对维持crRNA与靶点的配对可能十分重要根据tracrRNA与crRNA的结构特性 他们tracrRNA和crRNA表达为一条嵌合的向导RNA guideRNA gRNA 并在体外证明gRNA可以发挥tracrRNA和crRNA的功能CRISPR Cas系统有三类 其中Type 型系统的核糖核蛋白复合物相对简单 除crRNA和tracrRNA外 只有Cas9一个蛋白目前 产脓链球菌 SF370 的Type 型系统 CRISPR Cas9 是被改造的最为成功的人工核酸内切酶 已经在人类细胞小鼠斑马鱼中成功实现了基因组定点修饰 CRISPR Cas9系统的成功应用案例 2013年1月29日在 naturebiotechnology 上发表的 RNA guidededitingofbacterialgenomesusingCRISER Cassystems 一文中 作者利用CRISER Cassystems用设计好的DNA莫版替换相应基因来达到定点修饰2013年1月29日在 naturebiotechnology 上发表的 efficientgenomeeditinginzebrafishusingaCRISER Cassystem 一文中 作者利用人工合成的sgRNAs能指导Cas9内源性核酸酶对斑马鱼胚胎基因进行修饰2013年2月15日在 science 上发表的 MultiplexGenomeEngineeringUsingCRISPR CasSystems 一文中 作者利用一个包含两个靶向不同的spacers的crRNA实现了同时对两个基因进行编辑2013年4月12日在 cellstemcell 上发表的 EnhancedEfficiencyofHumanPluripotentStemCellGenomeEditingthroughReplacingTALENswithCRISPRs 一文中 作者利用TALENs和CRISPRs对同一基因进行修饰 效率分别为0 34 和51 79 ZFN TALEN CRISPR Cas9的比较 均由自然界存在的核酸酶系统改造而来均具有识别核酸碱基特异性的结构域发挥作用的机制 均通过在细胞基因组创造双链断裂缺口 从而诱发细胞自身修复机制完成基因修饰 DifferencesofZFN TALENandCRISPR Cas9 CRISPR Cas9技术的优势 而且从实际应用的角度来说 CRISPRs比TALENs更容易操作 因为每一对TALENs都需要重新合成 而用于CRISPR的gRNA只需要替换20个核苷酸就行 只需合成一个sgRNA就能实现对基因的特异性修饰 Cas蛋白不具特异性 编码sgRNA的序列不超过100bp 因此比构TALENs和ZFNs更简单方便 较短的sgRNA序列也避免了超长 高度重复TALENs编码载体带来的并发症 CRISPR Cas9系统的应用前景 目前应用CRISPR Cas9系统的研究主要集中在基因编辑方面 而Cas9真正的优势主要在于它具有能够将 种主要生物聚合物 和蛋白质 结合在一起的特殊能力 各种功能性蛋白都可以通过与Cas9蛋白融合 然后利用gRNA的靶向作用结合到ds 的任意位点 发挥人们预期的功能 例如 Cas9如果与甲基化酶或去甲基化酶 乙酰化酶或去乙酰化酶 激酶 磷酸化酶等促进染色质结构变异的蛋白成功融合还将有助于表观遗传学的研究 并能够持久改变基因的表达状态 如果几个作用于基因组不同位点Cas9复合物的协同作用 还可通过改变基因组的结构实现基因调控的目的 CRISPR Cas9的切割是通过向导RNA sgRNA 与基因组位点之间20bp碱基的配对 再引导Cas9实现的 但是CRISPR Cas9与靶位点识别的特异性主要依赖于sgRNA与靠近PAM NG