三代基因组编辑技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,基因组编辑技术,1,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,2,基因组编辑三大利器,3,介绍,ZFN:Zinc-finger nucleases 锌指核糖核酸酶,TALENs:transcription activator-like effector nucleases 转录激活因子样效应物核酸酶,CRISPR,/,Cas9:clustered regularly interspaced short palindromic repeats 成簇的规律间隔的短回文重复序列,/,CRISPR-associated 9,4,Zinc Finger Nuclease(ZFN),5,-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。,What is a Zinc Finger?,6,Zinc finger nuclease(ZFN),由一个 DNA 结合域（DNA-binding domain）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 34 个），每个锌指蛋白识别并结合一个特异的三联体碱基。,Genetics,Vol.188,773,782,7,ZFN mediated genome editing,FOK1二聚体互作,与非同源性末端接合(Non-homologous end joining,NHEJ)和同源重组（Homologous Recombination)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）,8,ZFN mediated genome editing,9,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,10,Transcription activator like effector nuclease(TALEN),11,Plant Bacterial TAL Effector,发现：,1989,年，植物病原体黄担保菌属,（,Xanthomonas spp,.,）,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，,TAL effector,氨基酸序列与核酸靶序列的密码被破译、,应用：,2011,年，,Nature Biotechonlogy,同时发辫四篇,TALEN,基因敲除文章和一篇综述,12,Functional domains of,Xanthomonas,TAL effectors,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,The number of repeats in TAL effectors varies between 1.5 and 33.5,The general repeat length is 34 aa,TAL,效应蛋白的不同结构功能域,13,Code of DNA Binding Specificity of TAL-Type III Effectors,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-variable diresidues,RVD)NI-A,HD-C,NN-G/A,and NG-T,14,Origin,：,bacterium Flavobacterium okeanokoites,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,Structure of the,Fok,I dimer,Fok I,15,Tale nucleases(TALENs):hybrid proteins composed of,TAL effectors and FokI DNA-cleavage domain,16,16,The principle of TALEN-mediated gene targeting(,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,17,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。,18,CRISPR/Cas9 system,19,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。,20,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,guide RNA,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。,21,CRISPR-CAS 系统的作用机理,22,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。,23,Guide RNA:,crRNA（CRISPR-derived RNA）通过碱基配对与 tracrRNA（trans-activating,cr,RNA）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（short guide RNA）,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。,HNH,RuvC,N,代表任意,DNA,碱基,Mechanism of CRISPR/Cas9 to target DNA,蛋白质：核酸聚合物,24,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,-adjacent Motif,）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,crRNA 3,端有部分序列,(,约,13 bp),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(guide RNA,，,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。,25,CRISPR/Cas9,系统的成功应用案例,2013,年,1,月,29,日在,nature biotechnology,上发表的,RNA-guided editing of bacterial genomes using CRISER-Cas systems,一文中，作者利用,CRISER-Cas systems,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,nature biotechnology,上发表的,efficient genome editing in zebra fish using a CRISER-Cas system,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,Multiplex Genome Engineering UsingCRISPR/Cas Systems,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,cell stem cell,上发表的,Enhanced Efficiency of Human Pluripotent Stem Cell Genome Editing through Replacing TALENs with CRISPRs,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%,26,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,27,Differences of ZFN,TALEN and CRISPR/Cas9,ZFN,TALEN,CRISPR/Cas9,系统大小,1 kb 2,3 kb 2,4.2 kb(Cas9 from,Streptococcus pyogenes,)+0.1 kb(sgRNA),识别模块,Zinc-finger proteins,Transcription activator-like effectors,crRNA or sgRNA,识别序列长度,18,36 bp,30,40 bp,22 bp(total length 23 bp),识别序列限制性,G-rich,Start with T and end with A(owing to the heterodimer structure),End with an NGG or NAG(lower activity)sequence(that is,PAM),切割模块,FokI,FokI,Cas9,切割效率,Low or variable(10%),High(20%),High(20%),脱靶效应,High,Low,Variable,细胞毒性,Variable to high,Low,Low,28,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。,29,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。,30,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(NGG)处10-12bp碱基的配对，其余远离PAM处8-10bp碱基的错配对靶位点的识别影响较小，而我们知道，要想在一个基因组中产生特异性位点至少需要16个碱基的配对才可实现特异。同时文献中报道Cas9也可以识别NAG附近的序列并进行打靶，这些研究说明了CRISPR/Cas9存在严重的脱靶性，即该技术可以发生非特异性切割，引起基因组非靶向位点的突变，这会造成研究结果的不确定性以及研究工作的大量增加，这些问题严重地限制了CRISPR/Cas9的应用。,Potential off target of CRISPR/Cas9,CRISPR/Cas9,的潜在脱靶效应,31,