基因编辑方法CRISPR-Cas9课件.pptx

1、CRISPR-Cas9一种新型基因编辑一种新型基因编辑方法方法* 又称基因组定点修饰技术，通过在某些物种基因组中进行靶向特异性的突变，从而解答并提出更多精确的生物学问题。方法包括：锌指核酸酶（Zinc-finger nuclease，ZFN）技术转录激活因子样效应物核酸酶（Transcription activator-like effector nuclease，TALEN）技术 Cas9/gRNA 系统系统(CRISPR-cas9技术技术)基因组编辑技术基因组编辑技术*Cell 2014 157,1262-1278 Figure2B 不论是TALEN技术还是ZFN技术，其定向打靶都依赖于D

2、NA序列特异性结合蛋白模块的合成,将蛋白模块与限制性内切酶 (Fok) 的DNA切割域融合而得到。由蛋白特异结合域定位，DNA切割域剪切。锌指核酸酶（锌指核酸酶（ZFN）转录激活因子）转录激活因子样效应物核酸酶（样效应物核酸酶（TALEN）技术）技术Cell 2014 157,1262-1278 Figure2A* CRISPR-Cas9 技术技术 原理：规律性重复短回文序列簇（clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPRs） CRISPR-Cas系统是细菌和古细菌在不断进化的过程中获得一种适应性免疫防御机制，

3、研究者根据 CRISPR-Cas 系统的特性对此系统进行改造产生了第 3 代人工核酸内切酶技术CRISPR-Cas9技术。该技术通过小片段的 RNA 介导对入侵的核酸进行靶向定位并通过Cas酶对核酸进行酶切、 降解。 CRISPR-Cas9 技术是一种多物种适应性的，位点特异性的有效基因组编码工具。Cell 2014 157,1262-1278 Figure4* CRISPR-Cas9 技术技术从已知的序从已知的序列中通过列中通过 PAM 进行进行定位寻找合定位寻找合适的靶位点适的靶位点并合成并合成 gRNA构建构建gRNA 与与/Cas9 重重组质粒。组质粒。对重组质粒对重组质粒进行活性检进

4、行活性检测，敲除活测，敲除活性的计算性的计算挑选活性较挑选活性较高的敲除质高的敲除质粒导入培养粒导入培养的细胞或者的细胞或者生物体内进生物体内进行基因组定行基因组定点编辑操作点编辑操作利用测序、利用测序、RFLP 等方等方法检测基因法检测基因组定点修饰组定点修饰结果结果 *sgRNA 的设计的设计 选择 PAM（NGG）5端的一段碱基序列20nt作为原间隔序列，即敲除的靶位点。(PAM，Protospacer adjacent motifs 原间隔序列临近基序。一般形式为 NGG，其作用是将间隔序列定位于入侵的噬菌体或质粒的 DNA 序列中)原则： 选择的序列必须在全基因组中进行比对，原间隔序

5、列必须唯一，否则会对其他基因进行敲除而出现错误的实验结果。 优先选择 DSB 位点的侧翼存在重复序列（如果 DSB 的侧翼存在重复序列，在进行非同源末端重组时能够精确的介导断裂位点碱基的缺失）。 PAM 的5端尽量存在酶切位点。（有利于后期的活性检测）*构建重组质粒构建重组质粒构建方案 ： 1.一是将gRNA 与 Cas9 连入同一个质粒载体中并以双启动子启动，载体中携带荧光报告基因（用于流式细胞仪筛选）或抗性基因（用于药物筛选） 。2.二是将 gRNA与 Cas9 分别连载不同的载体上，两个载体携带有不同的荧光报告基因或抗性基因载体选择：慢病毒载体 以HIV-1的主要功能元件为基础构建起来的

6、转基因和基因治疗载体。区别于腺病毒载体，可实现外源基因在目标细胞内稳定的传代表达。*降低降低sgRNA/Cas9脱靶率的方法脱靶率的方法 Cas9的两个内切酶活性域为RuvC和HNH,两个亚基分别负责对一条DNA单链的切割。任一亚基的失活都将形成DNA单链断裂（nicked DNA）。 当结合于两条互补的 DNA 链上相邻位置的一对 sgRNA 同 时引 导Cas9 D10A 识别并切割靶位点时才能造成 DSB，从而加大了识别的长度，有效的提高了 Cas9-sgRNA 技术的特异性。Cell 2014 157,1262-1278 Figure6A,B*重组质粒导入细胞重组质粒导入细胞/生物体生

7、物体C、将编码Cas9和sgRNA的表达质粒直接转染至细胞系中。D、将纯化的Cas9和体外表达的sgRNA显微注射至受精卵，快速得到转基因动物模型。E、将编码CRISPR组分的高效价的病毒载体转导至组织或细胞，完成特定时间，组织的基因编辑。Cell 2014 157,1262-1278 Figure6C,D,E*CRISPR-Cas9技术的应用进展技术的应用进展1. CRISPR/Cas 系统可以作为一种位点特异性基因编辑平台系统可以作为一种位点特异性基因编辑平台 Cas9-sgRNA 在靶位点切割产生DSB后， 细胞可以通过两种方式对DNA 进行修复， 非同源末端连接 （non-homolo

8、gous endjoining，NHEJ）修复方式和同源重组方式（homology-directed repair，HDR）。 NHEJ 往往使得核酸链被剪切的区域发生基因突变，导致编码的基因Knockdown。 而HDR往往通过供体 DNA 与基因组 DNA 之间的同源重组造成靶位点的纠正或者靶向插入外源基因Knockin。Cell 2014 157,1262-1278 Figure2A*CRISPR-Cas9技术的应用进展技术的应用进展 通过点突变使 Cas9 蛋白的两个核酸内切酶结构域活性全部丧失获得 dCas9，将 dCas9-sgRNA 作为与 DNA 特异性识别的平台，令转录因子或

9、表观调控酶与dCas9-sgRNA 融合表达，即可实现转录水平对基因表达的调节。Cell 2014 157,1262-1278 Figure6G *CRISPR-Cas9技术的应用进展技术的应用进展 CRISPR/Cas 蛋白亚型（型）被证明可以靶向消化 RNA 底物。预示着该技术的发展将会代替shRNA/siRNA 等传统 RNAi技术成为一种新型的 RNA 干扰物而对不同种类的细胞及动物模型中特定的基因的下游产物进行RNA 干扰。Cell 2014 157,1262-1278 Figure4截图 *CRISPR-Cas9技术的应用进展技术的应用进展 Cell 2014 157,1262-1

10、278 Figure6F *CRISPR-Cas9技术的应用进展技术的应用进展 Cell 2014 157,1262-1278 Figure6H Cas9和GFP融合表达，可动态记录胞内DNA特定位点的染色体结构状态 。*CRISPR-Cas9技术的应用进展技术的应用进展 Cell 2014 157,1262-1278 Figure6I 通过化学或可控因素诱导Cas9肽片段的重建，实现对基因的诱导调控。*展望展望 到目前为止对 CRISPR/Cas9 技术的开发尚属初步。虽然 Cas9 系统会被 sgRNA 引导从而识别出靶序列，但脱靶效应依然存在，特异性仍待提高。 与成熟的 ZFN 和 TALEN 等遗传物质靶向编辑系统相比，CRISPR/Cas9 核酸内切酶系统具有构建简单方便快捷、安全性高、毒性小等得天独厚的优越性，势必将在临床治疗、基础理论研究和农牧渔业等领域发挥巨大的作用，并且将会对分子生物学研究和基因治疗领域产生深远的影响。*参考文献参考文献. *Thanks*