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高彩霞研究組在多重基因組編輯技術方法研究中取得新進展

  多重基因組編輯體系的開發對于動物疾病模型的創制、動植物農藝性狀的疊加或改良以及基因調控通路的控制等具有重要意義。多重基因組編輯技術作爲一種基礎的植物生物技術方法,已經被應用于作物QTL基因的編輯,作物馴化和無融合生殖技術等。但是,大多數的植物多重基因組編輯技術開發集中在多sgRNA的表达,以实现同一编辑类型的多基因编辑。可用于产生不同编辑类型的植物多重基因组编辑系统的报道仍比较少。近日,中國科學院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组基于Cas9 nickase (nCas9)核酸酶開發了一個名爲單系統産生的同時多重編輯系統(Simultaneous and Wide-editing Induced by a Single System, SWISS)SWISS利用兩個含有不同RNA配體的RNA scaffold (scRNA)分別招募相應結合蛋白融合的胞嘧啶脫氨酶或腺嘌呤脫氨酶,同時在不同的靶位點分別實現CBEABE兩種編輯類型。再利用nCas9的切口酶活性,將成對的sgRNA引入到SWISS系統中,可以在第三個靶位點處産生DSB,使得SWISS成爲具有三重(C-to-TA-to-GKnock out)編輯功能的CRISPR系統。 

 

  研究者首先使用報告系統對分別用于介導CBEABE碱基編輯功能的高效scRNA進行了高通量的篩選,並用水稻內源靶位點對候選scRNA進行了驗證。最終選擇了具有3RNA配體的esgRNA-2×MS2esgRNA-2×boxB,分別用于介導的CBEABE的堿基編輯功能。開發的SWISSv1.1用于實現C-to-TKnock out雙重功能編輯;SWISSv1.2用于實現A-to-GKnock out雙重功能編輯。在SWISSv2中同時表達胞嘧啶脫氨酶模塊和腺嘌呤脫氨酶模塊,實現C-to-TA-to-G雙重功能編輯;在SWISSv2中引入成對的sgRNA,成爲SWISSv3,實現C-to-TA-to-GKnock out三重功能編輯()。並且,SWISSv3在水稻植株中同時産生三種編輯事件的效率爲7.3% 

 

  SWISS技術體系的建立,有望用于植物分子設計育種、基因性狀疊加和調控通路的改變等。此外,本研究中使用正交的RNA配體-結合蛋白對,如MS2-MCPPP7-PCPboxB-N22pCom-com,進一步擴展了用于植物合成生物學研究的工具箱,有利于在植物體內執行綜合的信號通路、基因通路以及生物傳感器的控制研究。該研究成果于2020616日在線發表于Genome Biology雜志(DOI:10.1186/s13059-020-02051-x)。高彩霞研究组博士生李超为本文第一作者,高彩霞研究员和王延鹏青年研究员为共同通讯作者。该研究得到中國科學院先导专项A、國家自然基金委、北京市科委重大項目經費資助。 

 

圖:SWISSv3介導的CBEABEKnock out三重編輯活性。上:SWISSv3策略示意圖;

下:水稻原生質體中測試的兩組靶位點。