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World File Search System基因打靶
基因改造发育工程技术的历史与进展
摘要 使用改变目标基因组信息的技术进行靶向基因组修饰，已为基础生物学和应用生物学的多项研究做出了贡献。在基因打靶中，使用同源重组将打靶载体整合到靶位点。传统上，携带多个基因突变的小鼠是通过胚胎干细胞中的连续重组和耗时的单基因突变小鼠杂交产生的。然而，这种策略存在几个技术问题。第一个问题是基因打靶的频率极低，这使得获得重组克隆是一项极其耗费人力的任务。第二个问题是可以应用基因打靶的生物材料数量有限。传统的基因打靶几乎不会发生在大多数细胞系中。然而，一种使用设计核酸酶的新方法可以在基因组 DNA 中引入位点特异性双链断裂，提高了受精卵中基因打靶的效率。这种包括 CRISPR-Cas 系统的新方法也扩大了可以应用基因打靶的生物材料的数量。转基因的靶向整合可通过基于同源重组（HR）、微同源介导的末端连接（MMEJ）或非同源末端连接（NHEJ）的策略实现。本文，我们总结了靶基因修饰的各种策略，包括传统基因靶向与设计核酸酶的比较。
利用基因打靶和主要编辑对植物进行精准基因组编辑：现有和新兴策略
精确修改植物基因组（例如在预定位点无缝插入、删除或替换 DNA 序列）是一项具有挑战性的任务。基因靶向和主要编辑是目前实现此目的的最佳方法。然而，这些技术在植物中效率低下，这限制了它们在作物育种计划中的应用。最近，人们取得了重大进展，以提高这些技术在植物中的效率。RNA 供体模板、化学修饰的供体 DNA 模板和串联重复同源定向修复等几种策略旨在改善基因靶向。此外，改进的主要编辑 gRNA 设计、使用工程逆转录酶和分裂主要编辑组件提高了植物中主要编辑的效率。本文回顾了这些新兴策略和现有技术，并对其未来改进和开发强大的植物精确基因组编辑技术进行了各种展望。关键词：CRISPR/Cas、精确基因组编辑、基因靶向、主要编辑、植物
利用 CRISPR/Cas 生成转基因小鼠...
引言 转基因小鼠被广泛用于研究基因功能和建立人类疾病模型。传统的基因打靶方法 1 ，是通过在小鼠 ES 细胞中同源重组 (HR) 引入突变来生成的突变小鼠。注射入野生型 (WT) 小鼠囊胚的靶向 ES 细胞可形成嵌合小鼠的生殖系，当嵌合小鼠通过生殖系传递时，就会产生含有靶基因的后代 1 。通过 ES 细胞的 HR 生成突变小鼠成本高且耗时，因为需要选择基因打靶的 ES 细胞克隆并注射入囊胚来生成嵌合小鼠，然后必须对其进行繁殖以产生单基因突变后代，这个过程通常需要 9 到 12 个月。构建携带多个突变的小鼠将增加更多的时间和精力。此外，HR 基因靶向需要使用 ES 细胞技术，而大多数哺乳动物物种无法使用这种方法。
通过基因打靶和随后的单链退火介导的标记基因切除，在植物中对 miRNA 靶位进行精确的基因组编辑
基因打靶 (GT) 能够使用供体 DNA 作为模板进行精确的基因组修饰（例如，引入碱基替换）。结合用于选择 GT 细胞的选择标记的干净切除，GT 有望成为一种标准的、普遍适用的碱基编辑系统。之前，我们展示了通过 piggyBac 转座子从水稻中 GT 修饰的位点进行标记切除。然而，piggyBac 介导的标记切除的局限性在于它只能识别 TTAA 序列。最近，我们提出了一种新颖的通用精确基因组编辑系统，该系统由 GT 和随后的单链退火 (SSA) 介导的标记切除组成，原则上不受靶序列的限制。在本研究中，我们将碱基替换引入了 OsCly1 基因的 microRNA miR172 靶位点，OsCly1 基因是参与闭花授粉开花的大麦 Cleistogamy1 基因的直系同源物。为确保有效的 SSA，GT 载体在选择标记的两端都含有 1.2 kb 的重叠序列。使用带有重叠序列的载体进行正负选择介导的 GT 的频率与使用不带重叠序列的 piggyBac 介导的标记切除载体的频率相当，在 T 0 代中，SSA 介导的标记切除频率计算为 ∼ 40%。这个频率被认为足以产生无标记细胞，尽管它低于使用 piggyBac 介导的标记切除的频率（接近 100%）。到目前为止，使用碱基编辑器和基于 CRISPR/Cas9 的 prime 编辑系统在目标基因的不连续多个碱基中引入精确替换已经相当困难。在这里，利用 GT 和我们的 SSA 介导的标记切除系统，我们成功地在 OsCly1 基因的 miR172 靶位点上不仅实现了单个碱基的精确替换，而且还实现了人工不连续的多个碱基的精确替换。
通过 CRISPR/Cas9 介导的同源重组将人类 gdnf 敲入牛 β-酪蛋白基因座*
帕金森病 (PD) 是一种常见且使人衰弱的神经退行性疾病，其源于多巴胺能神经元的损失，并伴有进行性运动功能障碍。神经胶质细胞衍生的神经营养因子 (GDNF) 在治疗 PD 和其他神经病方面非常有前景。在本研究中，我们应用 CRISPR/Cas9 技术开发了一种基因靶向敲入系统，用于在牛 β-酪蛋白基因位点表达人类 gdnf 基因。构建了 CRISPR/Cas9 表达质粒和 pP40-GN 载体。使用组织外植体法培养和收集牛胎儿成纤维细胞。然后将 pP40-GN 和 CRISPR/Cas9 载体电转染到牛胎儿成纤维细胞中。使用 G418 筛选抗性克隆，同时通过 PCR 分析和 PCR 产物测序鉴定目标克隆。采用耳组织阻断法成功分离培养牛胎儿成纤维细胞，将pP40-GN靶载体和CRISPR/Cas9表达载体共转染牛胎儿成纤维细胞，经7天G418筛选，共获得12个健康、分离良好的细胞克隆，其中5个发生基因打靶事件。本研究为利用基因打靶牛乳腺生物反应器生产人GDNF蛋白奠定了基础，为PD的靶向治疗提供了新的策略。
基因组编辑如何改变大型动物研究的世界
1985 年，首批转基因大型动物通过显微注射技术被开发出来，用于提高猪等农业牲畜的生长速度。自那以后，由于缺乏基因工具，转基因之路一直很艰难。尽管针对主要实验哺乳动物小鼠的方法和技术发展迅速，例如有效的原核显微注射、胚胎干细胞基因打靶和组学数据，但其中大部分（部分仍然）在牲畜方面仍很缺乏。在接下来的几十年里，大型动物基因工程的进展较少受到农业研究的推动，而更多地受到生物医学应用的推动，例如在绵羊、山羊或奶牛的奶中生产药用蛋白、异种器官移植和人类疾病建模。现有技术决定了是否可以实现所需的动物模型，而效率通常较低。本文简要回顾了近年来基因组编辑工具（特别是 CRISPR/Cas）对大型动物领域的影响。虽然本文将重点介绍猪的基因组工程在生物医学方面的应用，但一般原理和实验方法也适用于其他牲畜物种或应用。
CRISPR/Cas9 介导的甘蔗多等位基因靶向赋予其除草剂耐受性
甘蔗是全球 80% 糖和 26% 生物乙醇的来源。然而，其复杂的多倍体基因组（2 n = 100 – 120）阻碍了作物改良。本文，我们报告了甘蔗中高效且可重复的基因打靶 (GT)，通过模板介导和同源定向修复 (HDR) 实现多个等位基因的精确共编辑，修复由可编程核酸酶 CRISPR/Cas9 诱导的 DNA 双链断裂。对来自五个独立实验的 146 个独立转化植物的评估表明，靶向核苷酸替换导致 11 个品系中的乙酰乳酸合酶 (ALS) 中的靶向氨基酸替换 W574L 和 S653I，此外还有 25 个或 18 个品系中的单个靶向氨基酸替换 W574L 或 S653I。通过对克隆的长聚合酶链反应 (PCR) 扩增子进行桑格测序，证实了最多三个 ALS 拷贝/等位基因共同编辑，从而赋予除草剂耐受性。这项工作将通过有针对性的核苷酸替换将劣等等位基因转化为优等等位基因，从而实现作物改良。
挽救小鼠基因破坏引起的致死表型：新策略综述
生成 KO 动物使观察整个生物体基因被破坏时的情况成为可能，并能解答各种疾病的起源和发展过程。虽然经过漫长的历程才开发出现在易于生成的模型，但如今这些动物模型的生成效率已经足够高。生成 KO 小鼠的最初两种方法是基因捕获（Gossler 等人，1989 年）和基因打靶（Mansour 等人，1988 年）。这两种方法都需要胚胎干细胞 (ESC)，产生的是嵌合小鼠，既不经济也不省时。转座子系统也是破坏小鼠基因的实用工具（Dupuy 等人，2001 年），然而，基于转座子的方法后来被证明在创建转基因动物方面非常有效（Garrels 等人，2011 年，Katter 等人，2013 年）。位点特异性核酸内切酶、TALEN、ZFN 和 CRISPR/Cas9 是基因编辑工具箱的最新成员。TALEN 和 ZFN 需要工程蛋白，而 CRISPR/Cas9 是 RNA 引导的。CRISPR/Cas9 基因编辑需要 Cas9 mRNA 或蛋白和单向导 RNA (sgRNA)，后者由反式激活 RNA 和 CRISPR RNA 组成。上述所有核酸内切酶都会在基因组中诱导位点特异性双链断裂 (DSB)，这通常是
通过使用 CRISPR/Cas12a 可以增强植物体内基因靶向
通过同源重组 (HR) 控制植物基因组的改变仍然很难实现。我们之前开发了植物内基因打靶 (ipGT) 技术，该技术依赖于通过双链断裂同时激活目标基因座和切除目标载体。尽管使用 SpCas9 会导致拟南芥中的 ipGT 频率较低，但我们最近能够通过使用卵细胞特异性表达强效但适用范围较广的 SaCas9 核酸酶来提高效率。在这项研究中，我们现在测试了是否可以进一步改进 ipGT，方法是在染色体内 HR 效率增强的细胞中进行，或者使用 Cas12a，这是一种具有替代切割机制的不同类型的 CRISPR/Cas 核酸酶。我们之前可以证明植物具有三种 DNA ATPase 复合物，如果因突变而丢失，它们都会导致同源基因组重复不稳定性。由于这些蛋白质以独立途径发挥作用，我们在双突变体中测试了 ipGT，其中染色体内 HR 增强了 20 至 80 倍。然而，我们无法获得更高的 ipGT 频率，这表明基因靶向 (GT) 和染色体重复诱导 HR 的机制不同。然而，使用 LbCas12a，尽管非同源末端连接 (NHEJ) 诱导效率较低，但 GT 频率高于 SaCas9，表明 Cas12a 特别适合诱导 HR。由于 SaCas9 因其较长的富含 GC 的 PAM 序列而受到很大限制，因此使用富含 AT 的 PAM 的 LbCas12a 可以大大拓宽 ipGT 的范围，尤其是在靶向启动子和内含子等 CG 沙漠时。
简讯 通过同源定向修复实现小麦体内精准基因组编辑
通过同源定向修复 (HDR) 进行的基因组编辑 (GE) 可以最大程度地灵活地修改基因组。先前的基因打靶 (GT) 研究表明，将带有供体模板的 Cas9 或 Cas12a 表达盒通过基因枪递送到水稻愈伤组织中，可以使用 HDR 途径在靶位点进行精确替换或插入 (Li et al., 2016 , 2018 , 2019 ; Lu et al., 2020 )。其他研究小组还报告在玉米 (Svitashev et al., 2016 ) 和大麦 (Lawrenson et al., 2021 ) 中成功创建 GT 植物。然而，这些策略仅适用于适合细胞培养和再生的基因型。为了规避与细胞培养和再生相关的限制，我们最近开发了植物内粒子轰击 (iPB) 方法，该方法允许在小麦中进行基因型独立的基因组编辑 (Hamada 等人，2017 年；Liu 等人，2021 年)。iPB 方法利用茎尖分生组织 (SAM)，其中包含注定在花发育过程中发育成生殖细胞的表皮下层 (L2) 细胞。成功将 Cas9 核糖核蛋白 (RNP) 递送到 SAM 可促进基因组编辑的发生，并可遗传给下一代 (Kumagai 等人，2022 年)。由于 SAM 具有细胞分裂活跃的特点，许多细胞处于 HDR 的先决条件 G2/M 阶段，我们假设可以通过 iPB 方法将设计的供体 DNA 与 RNP 一起递送到小麦 SAM 中，实现基于 HDR 的 GT（图 1a）。