朱健康院士 Cell 子刊:用改良的 CRISPR 系统精确编辑水稻基因组

来源:生物通 / 作者: / 2016-12-12
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12 月 5 日,著名学者、中科院上海生命科学研究院朱健康院士带领的课题组,在 Cell 子刊《Molecular Plant》发表题为“Precise editing of a target base in the rice genome using a modified CRISPR/Cas9 system”学术文章。在这项研究中,研究人员利用大鼠 APOBEC1 在水稻中开发了一种“碱基编辑”系统,它提供了一种简单高效的碱基置换方法,用于植物研究和育种。朱健康院士是本文通讯作者,其课题组的博士后陆钰明是本文第一作者。

大多数的人类遗传病都是由点突变——DNA 序列中单个的碱基错误所引起。然而,当前的基因组编辑方法却无法高效地纠正细胞内的这些突变,还往往会导致随机核苷酸插入或缺失 (indels) 一类的副作用。今年上半年,哈佛大学的研究人员已改造 CRISPR/Cas9 技术解决了这些问题,构建出了一种新型的“碱基编辑器”,其能够在人类和小鼠细胞系中以低出错率永久及高效地将胞嘧啶 (C) 转换为尿嘧啶 (U) 碱基。他们的成果发布在今年 4 月 20 日的《自然》(Nature)杂志上。这种方法为 HDR 介导的碱基置换方法,提供了一种替代方案,如果它在植物中起作用,将大大促进精确的植物分子育种。

在《Molecular Plant》的这项研究中,研究人员在水稻中利用大鼠 APOBEC1 开发了一种“碱基编辑”系统,它提供了一种简单高效的碱基置换方法,用于植物研究和育种。

类似于哺乳动物“碱基编辑”系统,该研究小组合成了大鼠 APOBEC1,并利用非结构化的 16 残基肽 XTEN 作为接头,将其融合到 Cas9(D10A)的 N 末端。将一种核定位信号(NLS)肽添加到 Cas9(D10A)的 C 末端。半主动式的 Cas9 可切割非编辑的链,并通过诱导碱基切除修复,增加碱基编辑的效率。然后,在玉米泛素启动子(UBI)的控制下,这个 APOBEC1-XTEN-Cas9(D10A) 融合序列被构建成一个双运载体。

为了测试这个“碱基编辑”系统,并评估其用于植物育种的可行性,研究人员选择了农业上重要的两个水稻基因 NRT1.1B 和 SLR1 用于编辑。研究人员得出的数据表明,采用这种改进的 CRISPR/Cas9 系统,可以有效地产生稳定的碱基编辑植物。

虽然这项研究中描述的“碱基编辑”系统,仅限于 C→T 和 C→G (G→A 和 G→C) 替换,不同靶标之间的碱基编辑效率有所差异,但是该系统的简易性和有效性,将使得碱基编辑成为植物研究和育种的一种常规实践,特别是考虑到在植物中使用 HDR 实现碱基置换的困难。由于这种方法不涉及 DNA 供体模板,它避免了被编辑的植物基因组中供体 DNA 的随机整合。在这项研究中,大鼠 APOBEC1 的成功应用表明,其他异种 DNA 修饰酶的融合,可使得我们在植物中对其他类型的可编程基因组和表观基因组进行碱基编辑。在将来,植物胞嘧啶脱氨酶同系物也可以被检测用于碱基编辑效率的改进。

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