天津工生所在黑曲霉基因组编辑方面取得进展

CRISPR/Cas9 系统作为新一代基因组编辑技术,为生命科学的研究提供了革命性的工具,为生物技术在医药、农业、工业领域的应用迎来了新机遇。但是在很多真核生物中,由于缺乏向导 RNA 高效表达方法,CRISPR/Cas9 系统的建立和应用受到很大制约。黑曲霉是一种重要的工业微生物,其产品柠檬酸、酶制剂等在食品、医药、化工等领域用途广泛,然而目前仍然无法实现对黑曲霉的高效基因组编辑,限制了其工程应用潜力的发挥。

近日,中国科学院天津工业生物技术研究所研究员孙际宾带领的系统生物学中心与研究员郑平带领的系统与合成生物技术研究团队合作,首次在重要工业微生物黑曲霉中提出以核糖体 5S rRNA 基因为启动子介导 sgRNA 的表达,开发了一种基于 5S rRNA 的新型高效的 CRISPR/Cas9 系统,使 Cas9 对黑曲霉基因组定点切割效率可达 100%。以此建立了黑曲霉高效基因组编辑工具包,以 40 bp 的短同源臂供体 DNA 可以简便地实现单位点、多位点的基因敲入以及长至 48 kb 的大片段 DNA 敲除等基因组精准编辑。该新型 CRISPR/Cas9 系统有效解决了黑曲霉 sgRNA 的活性表达问题,突破了黑曲霉基因组高效编辑的瓶颈,为认识黑曲霉工业潜力的生物学分子基础,进一步提升其工业应用性能,开发新型细胞工厂和新产品提供了强有力的技术支撑。同时,由于核糖体 5S rRNA 的高度保守性,在任意生物中都可以快速找到其 5S rRNA 基因,基于 5S rRNA 的向导 RNA 表达策略的提出,为解决真核生物向导 RNA 表达难题、实现 CRISPR/Cas9 基因组编辑系统在各种真核生物的建立和应用开辟了普适性的新思路。

该研究得到国家自然科学基金青年与面上项目以及中科院国际人才计划等项目的支持,相关研究成果已发表在期刊 ACS Synthetic Biology 上。天津工生所助理研究员郑小梅为论文的第一作者。

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图 1 应用不同的 guide RNA 表达策略的 CRISPR/Cas9 系统介导黑曲霉 albA 基因失活。(A)CRISPR/Cas9 系统介导的 albA 基因失活的基因组编辑过程示意图;(B)5S rRNA 基因启动 guide RNA 表达的核心序列鉴定;(C)不同启动子策略对 albA 基因失活效率的影响。

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图 2 基于 5S rRNA 的 CRISPR/Cas9 系统介导的黑曲霉基因组精准编辑效率

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图 3 基于 5S rRNA 的 CRISPR/Cas9 系统实现黑曲霉基因组编辑的实验流程示例

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