山东大学祁庆生教授 基于CRISPR-Cas9一步式改造细菌基因组

2016-11-29 00:00 来源: 生物通
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同源重组介导的基因工程,已广泛应用于原核生物中,并具有较高的效率和准确性。然而,用这种方法来实现更大规模的基因组编辑(具有许多基因或大的DNA片段),还是有限的,因为DNA编辑模板构建的程序相对复杂。11月24日,在《Scientific Reports》发表的一项研究中,山东大学生命科学学院的祁庆生教授带领的研究小组,描述了一个CRISPR-Cas9辅助的非同源末端连接(CA-NHEJ)策略,用于细菌基因高效而快速的失活――以一种不依赖同源重组的方式,并无需无选择标记的使用。

祁庆生教授早年毕业于山东大学,2001年在德国明斯特大学微生物系获博士学位。2001年被聘为德国开姆尼茨工业大学生物工程系课题组负责人。2004年回国任山东大学微生物技术国家重点实验室教授,博士生导师;山东大学国家糖工程中心研究员。教育部新世纪优秀人才。主要研究方向为:微生物合成与代谢调控。

容易和有效地精确操纵真核生物和原核生物的基因组,在各种应用中――从功能基因组位点的遗传分析到人为代谢流量再分配,是非常理想的。为此,同源重组(HR)为基础的基因组工程已被广泛应用。基于噬菌体的重组蛋白的引入,彻底改变了这个过程,从而实现了高效的遗传操作,特别是在原核生物中。λ-Red和Rec E/T是两个著名的重组系统,已被广泛使用;然而,高效的HR都需要一个供体DNA片段(两侧是同源性序列)作为编辑模板。此外,筛选具有理想表型的遗传变异,需要选择性标记的染色体整合(通常是一个抗生素抗性标记),其次是它的最终去除以用于迭代工程。

CRISPRs和CRISPR相关蛋白(Cas)蛋白的新应用,已经彻底改变了基因组工程。在单引导性RNA(sgRNA)的指导下,CRISPR-Cas9系统可在任何基因组位点上产生双链断裂(DSBs)。这些DSBs可以由HR或通过非同源末端连接(NHEJ)修复。在高等生物中,相比较HR而言,NHEJ是主要的DNA修复系统,来维持基因组的稳定性。NHEJ完全适合于管理DSBs,因为这条路径没有显示出对DNA末端结扎的序列要求。

然而,由于断裂的DNA末端经常损坏,并需要进行修改,NHEJ修复机制往往容易在结合位点产生插入或缺失(indel)突变。因此,在可编程的CRISPR-Cas9 DNA切割系统的帮助下,NHEJ能产生移码突变,破坏靶基因,而无需使用同源修复供体。而在原核生物中,这一强大的DNA修复机制并不普遍,由于它们普遍缺乏NHEJ途径,Cas9产生的DSB对大多数微生物是致命的。最近的研究表明,参与真核生物NHEJ的关键因素――Ku70/Ku80二聚体和DNA连接酶IV,在原核生物中存在功能性的同系物。细菌的Ku蛋白在尺寸上比它们的真核生物相对物小得多,但却通过在断端形成环形的同型二聚体结构,而保护受损的DNA。

在某些物种中,如结核分枝杆菌和芽孢杆菌,保守的原核NHEJ途径可保护细菌基因组免于意想不到的DSBs,并促进遗传变异。该系统也可以被利用来开发一种细菌基因组工程方法,比依赖于HR的基因组工程方法更简单,其中选择性标记和供体DNA模板是不必要的。

在这项研究中,研究人员描述了一个CRISPR-Cas9辅助的非同源末端连接(CA-NHEJ)策略,用于细菌基因高效而快速的失活――以一种不依赖同源重组的方式,并无需无选择标记的使用。该研究表明,CA-NHEJ可以用来一步式地删除大的染色体DNA片段,而无需同源DNA模板。因此,它是一种新的和功能强大的工具,用于细菌基因组编辑,并具有加速基因组进化的潜力。