1、,CRISPR-Cas9技术的原理 及其应用,汇报人： 时 间：2016年11月,South China Normal University,汇 报 提 纲,一、,二、,三、,四、,五、,一、基因编辑技术的发展史,NgAGO？,CRISPR/Cas9 （ Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats-成簇的规律间隔的短回文重复序列）是细菌和古细菌在长期演化过程中形成的一种适应性免疫防御，可用来对抗入侵的病毒及外源DNA。CRISPR/Cas9 系统通过将入侵噬菌体和质粒 DNA 的片段整合到 CRISPR 中，并利用相应的
2、CRISPR RNAs（crRNAs）来指导同源序列的降解，从而提供免疫性。,二、CRISPR/Cas9 编辑技术,W H A T,W H O,CRISPR/Cas系统是一种原核生物的免疫系统，用来抵抗外源遗传物质的入侵，比如噬菌体病毒和外源质粒。同时，它为细菌提供了获得性免疫：这与哺乳动物的二次免疫类似，当细菌遭受病毒或者外源质粒入侵时，会产生相应的“记忆”，从而可以抵抗它们的再次入侵。CRISPR/Cas系统可以识别出外源DNA，并将它们切断，沉默外源基因的表达。这与真核生物中RNA干扰（RNAi)的原理是相似的。正是由于这种精确的靶向功能，CRISPR/Cas系统被开发成一种高效的基因编
3、辑工具。,三、CRISPR/Cas9基因敲除原理,H O W,CRISPR序列结构位点有什么特点？,CRISPR序列由众多短而保守的重复序列区（repeat）和间隔区（spacer）组成。重复序列区含有回文序列，可以形成发卡结构。而间隔区比较特殊，它们是被细菌俘获的外源DNA序列。而在上游的前导区（leader）被认为是CRISPR序列的启动子。另外，在上游还有一个多态性的家族基因，该基因编码的蛋白均可与CRISPR序列区域共同发生作用。因此，该基因被命名为CRISPR关联基因（CRISPR associated，Cas）。目前已经发现了Cas1-Cas10等多种类型的Cas基因。Cas基因与
4、CRISPR序列共同进化，形成了在细菌中高度保守的CRISPR/Cas系统。,CRISPR序列是如何与Cas蛋白配合来执行防御功能的呢？,第一步：外源DNA俘获,当噬菌体病毒首次入侵宿主细菌，病毒的双链DNA被注入细胞内部。CRISPR/Cas系统会从这段外源DNA中截取一段序列作为外源DNA的“身份证”，然后将其作为新的间隔序列被整合到基因组的CRISPR序列之中。因此，这段与间隔序列对应的“身份证”被称为原间隔序列（protospacer）。然而，“身份证”的选取并不是随机的。原间隔序列向两端延伸的几个碱基都十分保守，被称为原间隔序列临近基序（protospacer adjacent mo
5、tif，PAM）。PAM通常由NGG三个碱基构成（N为任意碱基）。病毒入侵时，Cas1和Cas2编码的蛋白将扫描这段外源DNA，并识别出PAM区域，然后将临近PAM的DNA序列作为候选的原间隔序列。随后，Cas1/2蛋白复合物将原间隔序列从外源DNA中剪切下来，并在其他酶的协助下将原间隔序列插入临近CRISPR序列前导区的下游。然后，DNA会进行修复，将打开的双链缺口闭合。这样一来，一段新的间隔序列就被添加到了基因组的CRISPR序列之中。,第二步： crRNA合成,目前的研究表明，CRISPR/Cas系统共有三种方式（Type 、）来制造”军火“。CRISPR/Cas9系统属于Type ，是
6、目前最成熟也是应用最广的类型。因此，下图将重点介绍CRISPR/Cas9的原理。当入侵者到来，CRISPR序列会在”指挥官“（前导区）的调控下转录出两种“军火材料”：pre-CRISPR-derived RNA (pre-crRNA)和trans-acting crRNA（tracrRNA）。其中，tracrRNA是由重复序列区转录而成的具有发卡结构的RNA，而pre-crRNA是由整个CRISPR序列转录而成的大型RNA分子。随后，pre-crRNA，tracrRNA以及Cas9编码的蛋白将会组装成一个小型“兵工厂”。它将根据入侵者的类型，选取对应的“身份证”（间隔序列RNA），并在RNas
7、e 的协助下对这段间“身份证”进行剪切，最终形成一段短小的crRNA（包含单一种类的间隔序列RNA以及部分重复序列区）。crRNA，Cas9以及tracrRNA组成的复合物，就是最终的“战斗武器”。,第三步：靶向干扰,Cas9/tracrRNA/crRNA复合物将扫描整个外源DNA序列，并识别出与crRNA互补的原间隔序列。这时，复合物将定位到PAM/原间隔序列的区域，DNA双链将被解开，形成R-Loop。crRNA将与互补链杂交，而另一条链则保持游离状态。随后，Cas9蛋白发起猛烈攻势，其HNH酶活性将剪切crRNA互补的DNA链，而其RuvC活性位点将剪切非互补链。最终，Cas9强大的火力
8、使双链断裂（DSB）形成，外源DNA的表达被沉默，入侵者被一举歼灭。,四、CRISPR/Cas9的应用,CRISPR是生物科学领域的游戏规则改变者，这种突破性的技术通过一种名叫Cas9的特殊编程的酶发现、切除并取代DNA的特定部分。这种技术的影响极其深远，从改变老鼠皮毛的颜色到设计不传播疟疾的蚊子和抗虫害作物，再到修正镰状细胞性贫血等各类遗传疾病等等。2014年，麻省理工学院生物工程学家Daniel Anderson和他的同事在小鼠身上利用CRISPR修正了一个同人类代谢性疾病相关的突变tyrosinaemia。这是首次利用CRISPR在成年动物体内修正致病突变，并且是将该项技术用于人类基因疗
9、法的一个重大进步。2015年，美国约翰霍普金斯大学医学院的科学家证明，这一系统还能精确有效地改变人类的干细胞。研究人员指出，这一发现简化了对诱导多能干细胞（iPSCs）的修改和定制，有望更快在治疗上取得成果，开发出用于疾病研究和药物测试的模型系统。相关论文在线发表于最近的分子治疗上。,APPLICATION,除了农业，研究人员正在考虑CRISPR如何能被或者说应当被用于野外的生物体。大部分注意力集中在一种被称为基因驱动的方法上，因为它能迅速将被编辑基因在整个种群中传播。这项工作正处于起步阶段，但类似技术能被用于消灭携带疾病的蚊子或蜱虫，清除入侵植物或消除使一些美国农民饱受折磨的猪草中的除草剂抗
10、性。,APPLICATION,研究人员还指出，与人类癌细胞系研究不同的是，无论CRISPR还是TALEN，在人类iPSCs中同样都有着目标特异性，即只瞄准那些为它们设定的目标基因。他们还发现，CRISPR系统比TALEN更有优势：CRISPR可以设计成只瞄准病人体内含有变异的基因，而不影响健康基因，即只影响某个基因的一个副本。这些成果与以往的干细胞研究成果结合，使CRISPR成为一种有用的人类iPSCs基因剪辑工具，其偏离目标的风险更小。,APPLICATION,在世界上， CRISPR来自微生物的免疫系统，这种工程编辑系统利用一种叫做Cas9的特殊编程的酶，能把一段作为引导工具的小RNA切入
11、DNA，就能在此处切断或做其他改变。以往研究表明，通过这些介入，CRISPR能使基因组更有效地产生变化或突变，效率比TALEN（转录激活因子类感受器核酸酶）等其他基因编辑技术更高。但最近研究发现，虽然CRISPR有许多优点，在人类癌细胞系列中，它也可能产生大量“误伤目标”，尤其是对不希望改变的基因做修改。,五、CRISPR/Cas9的研究现状,2015年1月6日，为了研究这种副作用在人类其他细胞中是否也存在，研究小组用CRISPR和TALEN两种系统在人类的iPSCs中进行实验，让它们在iPSCs中切下已知的基因片段，或切掉后再换上其他的。,ACTUALITY,在中国，中国一直处在CRISPR
12、研究的最前沿。2014年，南京大学的研究人员宣布成功创造出定向突变的基因工程猴，这是有记录以来首次在非人类灵长目动物身上成功使用此项技术。2016年8月，四川大学华西医院肿瘤学家卢铀率领的一个中国科学家团队开展全球首例对人体使用革命性基因编辑技术CRISPR的试验，它将超越美国成为世界首例CRISPR人类测试。,ACTUALITY,1.http:/ J. and Wiedenheft, B.(2015) .Snapshot：CRISPR-RNA-guided adaptive immune system. Cell.163(1): 260-260.,7.Jackson, R.N., and Wiedenheft, B. (2015).A conserved structural chassis for mounting versatile CRISPR RNA-guided immune responses.Mol. Cell. 58, 722728.,8.Abudayyeh, O. O. et al.(2016). C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector. Science. aaf5573.,9.主要，主要来源于以下网址总结：http:/ you!,
