CRISPR/Cas9-sgRNA全基因组文库筛选人单核细胞白血病功能性促癌/抑癌基因体系的建立与优化

CRISPR/Cas9-sg RNA(single guide RNA)全基因组文库筛选技术是在哺乳动物中进行系统基因组分析的有力工具.本文通过在人急性单核白血病细胞系THP1上优化CRISPR/Cas9-sg RNA人类全基因组慢病毒文库感染体系,构建裸鼠皮下移植肿瘤模型,并通过优化测序建库方法,对肿瘤组织进行二代测序以及利用生物信息学分析获得筛选结果.裸鼠肿瘤模型表明,感染sg RNA文库后的THP1细胞成瘤能力下降,推测可能与某些促癌基因的敲除有关;通过对二代测序数据进行生物信息学分析得到了一些候选基因.实验结果表明,在人单核细胞白血病细胞系上进行CRISPR/Cas9-sg RNA全基因组文库筛选是可行的,这项工作为在其他白血病细胞系或原代细胞上的筛选应用奠定了一定基础.     

功能基因组学研究的技术方法

随着结构基因组学的不断成熟,基因组学已经进入功能基因组学时代。功能基因组学的主要目标是明确各基因及蛋白质的生物学功能及相互作用网络。该领域常用的研究策略是在基因组范围内通过人为改变生物体或细胞内基因的序列或表达状态,观察干预后的表型,从而建立基因型与表型之间的关联,阐述基因的功能。根据人为干预方式的不同,功能基因组筛选策略可分为功能缺失型筛选和功能获得型筛选两大类。本文将分别阐述这两类筛选策略的最新技术进展。其中,功能缺失型筛选包括小干扰RNA(small interfering RNA, siRNA)筛选、短发夹RNA(small hairpin RNA, shRNA)筛选、CRISPR(clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats)-Cas(CRISPR-associationproteins)基因敲除及CRISPR转录抑制(CRISPR interference, CRISPRi)筛选。功能获得型筛选包括cDNA/开放阅读框(open reading frame, ORF)文库过表达筛选及CRISPR转录激活(CRISPR activation, CRISPRa)筛选。本文还在阐述各种筛选体系作用机制的基础上讨论了不同体系的优缺点。另外,本文对点阵式筛选及混合式筛选两种筛选模式进行比较,并重点阐述了高内涵成像分析系统及二代测序技术在功能基因组学领域的应用及对该领域的推动作用。     

基于CRISPR/Cas9系统高通量筛选研究功能基因

利用功能缺失型(Loss-of-function)或者功能获得型(Gain-of-function) 策略高通量筛选功能基因,是研究人员快速寻找调控特定表型的重要或关键基因的主要方法。RNA干扰(RNA interference,RNAi)的遗传筛选方法因操作简单、成本相对较低等优势,尽管已经得到了广泛的应用,然而其抑制效果不完全、脱靶效应明显等劣势依然存在。近年来兴起的CRISPR/Cas9 (Clustered regularly interspaced short palindromic repeat sequences/ CRISPR-associated protein 9)技术能快速、简便、准确地实现基因组敲除等编辑功能,因而成为一种强大的遗传筛选工具;在各种细胞系、人和小鼠及斑马鱼等多种模式动物中,大规模运用该方法筛选功能基因已经取得了巨大成功。本文总结了CRISPR/Cas9技术的特点,将其与传统基因工程方法进行了分析比较,回顾了近期相关的高通量功能基因筛选工作,最后探讨了该技术未来的发展趋势。     

哺乳动物细胞小干扰RNA库的建立和应用

双链小干扰RNA（siRNA）在多种类型细胞中介导特异性的基因沉默,这一现象的发现为深入研究单个基因的功能提供了重要的方法学基础,从而得到了广泛的应用.最近的文献报道了全基因组siRNA库的建立,为高通量基因功能分析和研究提供了新的方法,成为新的研究热点.小干扰RNA库可以用来筛选和研究介导细胞复杂表型和生物学过程的关键基因,通过建立一系列具有目的表型的细胞系,有可能对特定细胞信号调节通路进行更为全面的解析.本文综述了目前在siRNA建库方法方面的进展,并探讨了建立小干扰RNA库中的关键问题.     

CRISPR/Cas9全基因组筛选在生命科学中的应用

全基因组筛选是系统性分析基因组的有力工具,可在全基因组范围内发现具有特定生物学功能的基因或DNA元件。基于CRISPR/Cas9基因编辑技术的全基因组筛选具有高通量和高效率的特点,已被广泛应用于疾病机理和药物开发等研究,为临床治疗提供科学用药依据。同时,CRISPR/Cas9筛选可靶向启动子、增强子和长链非编码RNA等序列,解析其调控基因表达的功能。此外,将全基因组筛选与单细胞测序技术结合,可揭示细胞转录组差异,剖析基因功能关系。     

基于CRISPR/Cas9技术的高通量筛选平台:发掘病毒复制相关宿主分子的新途径

病毒作为严格的细胞内寄生生物,需要多种宿主蛋白辅助其完成生命周期。寻找与病毒复制相关的宿主因子并揭示其作用机制,将有助于阐明病毒的感染机制,为疫病的防治提供新靶标。与RNA干扰技术相比,近年来兴起的CRISPR/Cas9技术能更特异、高效、准确地实现基因组编辑,因而在功能基因研究中得到更广泛应用。而基于CRISPR/Cas9系统的宿主全基因组sgRNA文库高通量筛选技术平台,可快速发现参与病毒侵入、复制等生物学过程的关键宿主因子,通过明确病毒-宿主分子相互作用进而揭示病毒的生命周期,为分子病毒学和免疫学提供了强大的研究工具。本文主要总结了基于CRISPR/Cas9技术的高通量筛选平台的具体筛选流程,归纳和讨论了该平台在筛选调控病毒复制相关宿主因子中的应用现状和发展前景。     

基于CRISPR/Cas9系统在全基因组范围内筛选功能基因及调控元件研究进展

CRISPR/Cas9系统是一种近年来被广泛应用于基因组编辑的强大工具。通过将CRISPR/Cas9系统中的Cas9蛋白突变后,使其失去剪切活性而成为dCas9 (nuclease-dead Cas9),再结合基因功能丧失(loss-of-function,LOF)、基因功能激活(gain-of-function, GOF)以及非编码功能基因鉴定技术即可实现全基因组高通量的功能基因及调控元件靶向鉴定和筛选。目前,该技术已被广泛应用于疾病免疫机理、药物靶点筛选和动物遗传育种等研究,为生命医学和基础科学带来了全新高效的技术方法和研究思路。本文综述了基于CRISPR/Cas9技术在全基因组中高通量筛选功能基因及调控元件的方法及研究进展,重点阐述了CRISPR/Cas9系统在动物细胞中筛选功能性基因的方法,以期为基因编辑及相关研究领域提供参考。     

RNA干扰文库及其在功能基因组学研究中的应用

随着人类基因组大规模测序的完成,下一步的挑战是了解每一个基因的功能 . RNA 干扰文库为大规模基因功能筛选提供了可能 . 虽然用于线虫等模式生物的 RNAi 文库,已经证明是大规模基因功能筛选的有效方法,但这些文库不能用于高等动物的细胞 . 自 2003 年以来,用于人的细胞和哺乳动物细胞的 RNAi 文库取得了突破,相继出现构建已知基因 RNAi 文库和构建随机 RNAi 文库的报道,并成功地应用于大规模基因功能的筛选 . RNAi 文库作为一种简单、高效、大规模、高通量的功能基因组学研究的工具,将在基因功能研究、发现新的药物靶基因、发现疾病相关基因等方面有广阔的应用前景 .     

基于模板转换的微量RNA测序建库方案探索

目的:建立一套简便、对RNA样本起始量要求很低的RNA测序建库方法,在此基础上引入分子条形码技术,从而使RNA-seq的数据所反映的表达丰度更加客观真实。方法:将微量RNA用RNaseⅢ片段化后,利用反转录酶的反转录活性、模板转换活性以及DNA依赖的DNA聚合酶活性,一步实现从RNA到cDNA文库的反应,再通过PCR扩增获得适合测序仪的测序文库,通过测序分析验证建库效果,最后采用荧光定量PCR法测定部分基因的表达量以验证测序结果,同时比较分子条形码的引入对表达量分析的影响。结果:通过电泳观察和测序结果分析,选择Clontech公司的SMARTscribe,反转录和模板转换反应温度设为50℃,反转录完成后经AMPure Beads纯化再经PCR扩增得到测序文库,电泳检测文库DNA长度和浓度符合测序要求。比较发现,用分子条形码建库的测序结果能够更加真实地反应基因的实际表达量。结论:初步建立了针对10 ng RNA样品的RNA-seq建库技术,并在建库方案中加入分子条形码使其测序结果更加真实地反映基因表达量。该技术未来可适用于微量RNA样品的高通量测序。     

基因编辑技术的发展及其在农业生产中的应用

对动植物和人类基因组的测序为功能基因组研究提供了基础数据。然而,核苷酸序列信息并不足以帮助我们了解特定的基因组元件的功能及其在表型形成中的作用。基因编辑技术能够在很大程度上解决这一问题,帮助人们快速获得新的基因组突变模式,从而以更便捷高效的方式进行功能基因组研究。对基因编辑的基本原理及常见的锌指核酸酶(ZFN)、转录激活因子样效应因子核酸酶(TALEN)和2013年出现的CRISPR/Cas9系统进行了回顾,讨论了基因编辑技术的应用历史,特别在农业应用方面,重点关注了CRISPR/Cas9系统在水稻基因编辑中的应用,阐述了CRISPR/Cas9在基因组编辑领域的问题和其他应用方面的困难,探讨了基因编辑工具在作物改良方面所面临的主要挑战和未来发展趋势。     

CRISPR/Cas9高通量筛选技术与肿瘤治疗

成簇规律间隔短回文重复(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR),是细菌或古菌在与噬菌体长期生存进化获得的一种免疫系统. 根据Cas蛋白(CRISPR-associated protein)的不同,CRISPR系统可分为3种. 其中II型CRISPR/Cas9已被改造成为一种有效的基因编辑工具,并运用于多种物种基因的改造. 作为1种基因编辑的手段,CRISPR/Cas9技术通过诱导DNA双链断裂损伤,进一步干扰基因的表达. 与传统的基因编辑技术相比,CRISPR/Cas9技术显示出效率高、成本低和易操作等特点. 与此同时,二代测序技术的发展促进全基因组的解析. CRISPR技术结合高通量二代测序手段的使用,在肿瘤的治疗领域中已发挥出了独特的优势. 本文就近年来CRISPR/Cas9高通量筛选技术的发展,及其在肿瘤治疗过程中的应用进行综述.     

Hi-TOM: a platform for high-throughput tracking of mutations induced by CRISPR/Cas systems

The CRISPR/Cas system has been extensively applied to make precise genetic modifications in various organisms. Despite its importance and widespread use, large-scale mutation screening remains time-consuming, labour-intensive and costly. Here, we developed Hi-TOM(available at http://www.hi-tom.net/hi-tom/), an online tool to track the mutations with precise percentage for multiple samples and multiple target sites. We also described a corresponding next-generation sequencing(NGS) library construction strategy by fixing the bridge sequences and barcoding primers. Analysis of the samples from rice, hexaploid wheat and human cells reveals that the Hi-TOM tool has high reliability and sensitivity in tracking various mutations, especially complex chimeric mutations frequently induced by genome editing. Hi-TOM does not require special design of barcode primers,cumbersome parameter configuration or additional data analysis. Thus, the streamlined NGS library construction and comprehensive result output make Hi-TOM particularly suitable for high-throughput identification of all types of mutations induced by CRISPR/Cas systems.     

羊毛硫肽的高通量工程改造方法新进展

羊毛硫肽(lanthipeptide)是由核糖体合成并经翻译后修饰产生的肽类天然产物,具有丰富的分子结构和多样的生物活性.新型羊毛硫肽是活性药物的重要来源,可以通过基因组挖掘和工程改造获得.羊毛硫肽前体肽由基因编码,同时其合成酶具有较高的底物杂泛性.基于这些特征,可以对羊毛硫肽的生物合成过程开展高通量工程改造,从而快速...     

Diversity of CRISPR-Cas-mediated mechanisms of adaptive immunity in prokaryotes and their application in biotechnology

CRISPR-Cas systems of adaptive immunity in prokaryotes consist of CRISPR arrays (clusters of short repeated genomic DNA fragments separated by unique spacer sequences) and cas (CRISPR-associated) genes that provide cells with resistance against bacteriophages and plasmids containing protospacers, i.e. sequences complementary to CRISPR array spacers. CRISPR-Cas systems are responsible for two different cellular phenomena: CRISPR adaptation and CRISPR interference. CRISPR adaptation is cell genome modification by integration of new spacers that represents a unique case of Lamarckian inheritance. CRISPR interference involves specific recognition of protospacers in foreign DNA followed by introduction of breaks into this DNA and its destruction. According to the mechanisms of action, CRISPR-Cas systems have been subdivided into two classes, five types, and numerous subtypes. The development of techniques based on CRISPR interference mediated by the Type II system Cas9 protein has revolutionized the field of genome editing because it allows selective, efficient, and relatively simple introduction of directed breaks into target DNA loci. However, practical applications of CRISPR-Cas systems are not limited only to genome editing. In this review, we focus on the variety of CRISPR interference and CRISPR adaptation mechanisms and their prospective use in biotechnology.     

From bacterial genomics to metagenomics: concept,tools and recent advances

In the last 20 years, the applications of genomics tools have completely transformed the field of microbial research. This has primarily happened due to revolution in sequencing technologies that have become available today. This review therefore, first describes the discoveries, upgradation and automation of sequencing techniques in a chronological order, followed by a brief discussion on microbial genomics. Some of the recently sequenced bacterial genomes are described to explain how complete genome data is now being used to derive interesting findings. Apart from the genomics of individual microbes, the study of unculturable microbiota from different environments is increasingly gaining importance. The second section is thus dedicated to the concept of metagenomics describing environmental DNA isolation, metagenomic library construction and screening methods to look for novel and potentially important genes, enzymes and biomolecules. It also deals with the pioneering studies in the area of metagenomics that are offering new insights into the previously unappreciated microbial world. The authors have contributed equally to the work