CRISPRCas基因编辑技术简介学习教案

1、会计学1CRISPRCas基因编辑技术简介基因编辑技术简介 1987年，日本大阪大学（Osaka University） 在对一种细菌编码的碱性磷酸酶基因进行研究时，发现在这个基因编码区域的附近存在一小段不同寻常的DNA片段，但一直不清楚功能。后来的研究发现，这种重复序列广泛存在于细菌和古细菌中。 2002年才正式命名为成簇的规律间隔性短回文重复序列CRISPR(Clustered regulatory interspaced short palindromic repeats). 2013年之后，研究者们在science 和nature等国际著名杂志上发表多篇文章介绍CRISPR/Cas9系

2、统，并且已成功在人类、小鼠、斑马鱼等物种上实现精准的基因修饰。系统概述第1页/共24页 已测序的接近90%的古细菌和40%的细菌的基因组或是质粒中至少存在CRISPR 基因座。 根据Cas 基因核心元件序列的不用，CRISPR/Cas 免疫体统分为3中类型：型、型和型。型和型CRISPR/Cas免疫系统需要多个Cas蛋白形成复合体切割DNA双链，而型CRISPR/Cas9免疫系统只需要一个Cas9蛋白来切割DNA双链，目前型系统是被改造的最成功的人工核酸内切酶。系统概述的分布与分类：的分布与分类：第2页/共24页 CRISPR/Cas系统是很多细菌和大部分古细菌的天然免疫系统，通过对入侵的病毒

3、和核酸进行特异性的识别，利用Cas蛋白进行切割，从而达到对自身的免疫。系统获得：系统获得：系统概述第3页/共24页系统结构主要由两部分组成：主要由两部分组成：第4页/共24页结构：结构： CRISPR是一种特殊的DNA 重复序列家族，广泛分布于细菌和古细菌基因组中。CRISPR位点通常由短的高度保守的重复序列(repeats)组成，重复序列的长度通常为21-48bp，重复序列之间被26-72bp间隔序列(spacer)隔开。CIRSPR通过这些间隔序列(spacer)与靶基因进行识别。系统结构第5页/共24页家族：家族： Cas(CRISPR associated)存在于CRISPR位点附近，

4、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fokI酶功能类似，但是它并不需要形成二聚体才能发挥作用。系统结构第6页/共24页uCRISPR基因座的表达（包括转录和转录后的成熟加工）u当该噬菌体再次入侵细菌时，CRISPR簇首先转录为长的crRNA前体，然后逐步加工成小的成熟的crRNA.uCRISPR/Cas系统活性的发挥或外源遗传物质的干扰ucrRNA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。系统作用机制第7页/共24页系统Type 因其简单性及可操作性，被

5、改造成有力的基因工程工具-CRISPR/Cas9。现在广泛使用的CRISPR/Cas9系统来源于酿脓链球菌。Type II系统具有以下特点：u在CRISPR/Cas基因座上游会表达tracrRNA;utracrRNA会参与crRNA的加工，这个工程亦需要RNaseIII的参与；utracrRNA会与crRNA形成二聚体指导Cas对双链DNA的切割。第8页/共24页Cas9是一种核酸内切酶,其具有：RuvC和HNH两个内切酶活性中心Jinek等发现Cas9在细菌和试管里对双链DNA具有强烈的切割能力,但是这种切割能力需要的crRNA和tracrRNA介导。系统第9页/共24页Jinek等创造性的

6、把crRNA和部分tracrRNA融合成一条嵌合的RNA链,使其同时具有crRNA和tracrRNA的特性,随后的切割实验表明,这条嵌合的RNA同样可以引导Cas9切割目标DNA。现在普遍使用的都是crRNA和全长tracrRNA 融合体,简称 sgRNA (single guide RNA)系统第10页/共24页系统酿脓链球菌第11页/共24页系统第12页/共24页系统gRNA 在线设计工具：第13页/共24页系统第14页/共24页u基因敲除或者敲入；u 基因修复；u 基因调控；u文库筛选。系统CRISPR/Cas 作用：第15页/共24页脱靶效应u2013年，研究者们发表多篇文章介绍CRI

7、SPR/Cas9系统，但CRISPR/Cas9目前仍存在一个很严重且无法避免的问题，即潜在的脱靶效应不可消除。uCRISPR/Cas9与靶位点识别的特异性主要依赖于gRNA与靠近PAM处10-12bp碱基的配对，而其余远离PAM处8-10bp碱基的错配对靶位点的识别影响不大。uCas9蛋白不具特异性第16页/共24页沈彬，20156.降低脱靶效应Cas9切口酶通过点突变的方法，使Cas9只有单链切割活性，类似于切口酶第17页/共24页Yu Hisano et al.20146.降低脱靶效应添加同源臂(homology arm,HR)第18页/共24页Nicolas Wyvekens et al.2015FoKI-dCas96.降低脱靶效应第19页/共24页Feng Zhang et al. 20156.降低脱靶效应CRISPR/Cpf1系统Cpf1系统更简单一些，它只需要一条RNA。Cpf1酶也比标准SpCas9要小，使得它更易于传送至细胞和组织内。Cpf1以一种不同于Cas9的方式切割DNA。Cas9切割留下“平端”（blunt ends）。Cpf1复合物生成的两条链切口是偏移的，在裸露端留下了短悬端（overhang）。这预计有助于精确插入。Cpf1切口远离识别位点。Cpf1 Is a Single RN