北大瞿礼嘉教授CellRes获CRISPR技术研究进展

2013-9-10 00:00 来源: 北京大学
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  水稻是单子叶植物的模式植物,是世界主要粮食作物之一。仅在中国,水稻种植面积就占粮食作物种植面积的三成,而产量却接近粮食总产量的一半。长期以来,科学家们一直想按照人类的设计定点改造特定基因以提高水稻的产量和质量,但定点基因改造技术在水稻等植物中一直没有突破。

  来自北京大学生命科学学院的瞿礼嘉教授实验室首次利用最新的CRISPR-Cas系统成功地实现了对水稻特定基因的定点突变,效率达到80%以上。这一研究成果公布在Cell Research杂志上,博士后苗靳、博士生郭冬姝、张金础⒒魄迮湟约扒馗基副教授为共同第一作者,瞿礼嘉教授为通讯作者。水稻转化工作是与中国农科院作物所万建民研究员实验室合作完成的。

  CRISPR是细菌和古细菌在长期演化过程中形成的抵御病毒等外来DNA的一种获得性免疫防御机制,其工作原理是crRNA(CRISPR- derived RNA)通过碱基配对与tracrRNA(trans-activating RNA)结合形成tracrRNA/crRNA双元复合体,此复合体引导内切酶Cas9蛋白在与crRNA配对的序列靶位点剪切双链DNA。而通过人工设计这两种RNA,可以改造形成具有引导作用的单个sgRNA(single-guide RNA),足以引导Cas9内切酶对DNA的定点切割。DNA双链发生断裂后,其在修复的过程中可实现定点插入、缺失、突变或修饰。CRISPR-Cas 系统在今年早些时候已被成功地用于在人、小鼠、斑马鱼、果蝇等模式动物中定点突变基因。

  瞿礼嘉教授实验室通过密码子优化技术使Cas9适于在水稻中表达,并且采用了强启动子驱动其表达。他们选定两个基因进行CRISPR-Cas定点突变,这两个基因分别是水稻叶绿素合成基因CAO1和分蘖夹角控制基因LAZY,结果表明,有83.3%的第一代转基因植株中CAO1基因相应位点发生了突变,而有高达91.6%的转基因植株中LAZY基因相应位点发生了突变,其中LAZY基因的突变纯合体的比例达到50%,均表现出分蘖夹角变大的表型,这说明利用CRISPR-Cas系统可实现对水稻特定基因的高效定点突变。

  由此,北京大学与中科院遗传发育所和中科院上海植物生理生态所一起成为世界上最先实现水稻特定基因定点突变的三个单位。CRISPR-Cas定点基因突变技术可大大加快水稻功能基因组的研究,进而加快培育高产、高抗和优质的水稻品种,提高水稻的产量和品质。