基因组编辑技术的原理及应用

阐明基因功能和改良生物现状是生物学重点研究内容之一.近年来利用的基因打靶和转基因技术存在效率低、耗时长、易引起人们的安全性疑虑等问题.新近发现的以多种新型高效的DNA靶向内切酶为基础而建立的基因组编辑技术,主要包括ZFN、TALEN和CRISPR/Cas三种.本文首先综述这3种技术的原理,即均基于"DNA断裂/DNA损伤修复"来实现编辑功能,可以在不同物种中对目标基因进行定点敲除、单核苷酸或多核苷酸片段的置换、添加等基因组靶向修饰,具有简单、快速、高效、准确等优点.然后比较3种技术在构成、靶点识别模式、编辑特点、技术难度以及脱靶效应等方面的异同;归纳该技术在作物遗传育种、家畜改良以及基因治疗等方面的应用现状和前景,并指出该技术尚存在的脱靶、构建等问题以及解决的途径,重点突出ZFN、TALEN和CRISPR/Cas在模式植物以及粮食作物中的应用.最后提出建立基于病毒载体的基因组无痕编辑技术平台,将使基因组编辑用于植物遗传改良更为简约和安全.     

利用CRISPR/Cas9系统敲除斑马鱼bco1基因与bco1l基因

β-胡萝卜素-15,15'-加氧酶(β-carotene-15,15'-momoxygenase 1,bco1)是β-胡萝卜素转化成维生素A过程中的关键酶,bco1与bco1l是编码此酶的主要基因。本实验利用CRISPR/Cas9技术敲除斑马鱼的与β-胡萝卜素-15,15'-加氧酶编码相关的基因bco1与bco1l,以便深入开展对斑马鱼bco1的功能研究。分别在斑马鱼bco1与bco1l基因2号外显子选取sg RNA识别位点,体外转录制备sg RNA并与Cas9 m RNA混合对斑马鱼Ⅰ细胞期受精卵进行显微注射,24 h后收集部分胚胎进行PCR检测并将PCR产物进行单克隆测序确定sg RNA的有效性,构建首建鱼,并在此基础上通过PCR检测、凝胶电泳及测序筛选可遗传突变体。本研究分别获得了bco1基因突变与bco1l基因突变,分析表明这些缺失和插入均可导致编码序列的移码,为研究鱼类胡萝卜素代谢及相关发育过程等后续研究提供了材料。     

龙眼miR156家族及其调控靶标SPL的生物信息学和表达模式

为了解miR156基因家族的进化特性及其在龙眼早期体胚发生过程中的调控作用,对植物miR156家族成员的成熟体和前体序列进行多重比对和进化特性分析,并对龙眼miR156基因家族成员进行了前体(pre-miRNA)二级结构预测、靶基因预测及裂解位点验证,利用qPCR技术探究龙眼体胚发生早期miR156a与靶基因SPL6/9/16调控模式.结果表明,龙眼miR156家族含有13条成熟体序列和6条前体序列.Mfold预测显示,pre-miR156家族6个成员的序列均能形成典型稳定的茎环二级结构,它们的最小折叠自由能(ΔG)在-43.30--62.60 kal/mol;成熟序列的碱基保守性高.系统发育进化树分析显示,龙眼miR156家族与水稻、拟南芥的miR156亲缘关系更为接近.靶基因预测显示,龙眼miR156a的靶基因是SPL2、SPL6、SPL9、SPL16、SPL18;利用改良的RLM-RACE在龙眼愈伤组织中检测到SPL6/9/16的断裂片段,miR156a在与靶基因mRNA互补的第10个核苷酸处切割靶标mRNA.实时荧光定量PCR显示,在龙眼体胚发生早期miR156a在0-9 d表达平稳,仅在球形胚(globular embryos,GE)阶段显著下调,SPL6/9/16表达量持续上调,在GE阶段表达量最高,提示SPL6/9/16的大量积累对龙眼球形胚形态建成具有重要作用.本研究表明植物miR156基因家族成熟体序列高度保守,且miR156a的下调表达与靶基因SPL6/9/16的大量积累可能对龙眼球形胚的建成具有重要意义.(图7表2参22)     

利用CRISPR/Cas9技术编辑水稻负调控抗病基因OsEDR1及基因功能分析

拟南芥EDR1(Enhanced Disease Resistance1),一个Raf样MAPKKK蛋白激酶,通过级联蛋白激酶途径MKK4/MKK5-MPK3/MPK6负调控水杨酸诱导的免疫防卫反应.为研究水稻OsEDR1基因的功能,利用CRISPR/Cas9技术创制OsEDR1的功能缺失突变体的同时,构建过表达载体p TCK303-Ubi-OsEDR1转化水稻,获得转基因植株,最后接种白叶枯病菌.此外,也构建pBI1.4t-35S-OsEDR1表达载体并转化拟南芥,分析转基因植株的白粉菌抗病性.结果表明利用CRISPR/Cas9技术创制了单碱基插入的OsEDR1功能缺失突变体;白叶枯病原菌Xoo PXO99的接种实验表明,该功能缺失突变体与日本晴相比,病斑长度减少约50%,增强了水稻对Xoo PXO99的抗性.定量PCR和接种实验结果显示在日本晴中过量表达OsEDR1增强了水稻对Xoo PXO86的感病性.在拟南芥edr1突变体中异源表达OsEDR1无法抑制edr1突变体对白粉菌的抗病和白粉菌诱导的细胞死亡.综上所述,OsEDR1负调控水稻对白叶枯的抗病反应和自发的细胞死亡,可能与拟南芥所依赖的防御反应信号通路不同相关;结果可为下一步深入研究EDR1基因的作用机制和在水稻育种中的应用提供参考.(图4表1参29)     

植物miR408家族的进化与分子特性

miR408家族在植物上已有报道,但其进化规律与分子特性研究很少.利用miRbase数据库提供的34种植物49个miR408的前体序列和64个成熟体序列,采用分类统计、进化树构建、序列比对、二级结构预测、染色体定位分析及靶基因预测等手段,进行进化规律与分子特性分析.结果显示:miR408家族成员分布在34个植物物种中,分布较为广泛,并且苔藓类植物可能是植物miR408家族进化的祖先;物种特异性是影响miR408前体进化特性的重要因素,而序列保守性是影响成熟体进化特性的主要因素;由5p臂上形成的miR408成熟体的序列特异性较大,由3p臂上形成的miR408成熟体的序列保守较高;Mfold预测表明植物miR408家族具有典型的茎环二级结构,茎序列的保守性高于环序列,3p臂上茎序列的保守性高于5p臂上茎序列;靶基因预测表明miR408广泛参与植物生长发育和逆境胁迫的应答.综上表明植物miR408家族成员在进化过程中保守性与特异性并存,这对进一步研究植物miR408的生物学功能具有参考价值.     

干燥和复吸水条件下发菜过氧化物氧还蛋白差异表达与基因克隆

发菜(Nostoc flagelliforme)是一种陆生固氮蓝藻,为探讨其耐旱的分子机理及对极端干旱环境的适应和保护机制,运用双向电泳技术(2-DE)、凝胶图像分析、MALDI-TOF-TOF/MS质谱鉴定和数据库检索,分析发菜过氧化物氧还蛋白(Peroxiredoxin)在持续干燥48 h和复吸水4 h后的差异表达水平,根据鉴定的过氧化物氧还蛋白已知氨基酸序列设计简并性引物克隆该基因,分析基因和氨基酸序列的同源性及对蛋白质二级结构进行预测,并研究其原核表达.结果表明,发菜过氧化物氧还蛋白在复吸水后的表达量明显高于干燥状态下的表达量。根据简并性引物克隆获得长度为639 bp的过氧化物氧还蛋白基因,GenBank登陆号为HM854286.序列比较分析显示该基因具有较高的保守性,蛋白质二级结构主要由α螺旋、β折叠和随机卷曲构成.将过氧化物氧还蛋白基因在大肠杆菌中表达,获得符合预期的外源重组蛋白(26.5×103),经Western blotting验证,该外源蛋白为过氧化物氧还蛋白.图10表1参25     

瞬时表达比较马铃薯X病毒CP基因3种结构对RNA沉默的诱导效果

RNA沉默是植物抵御病毒侵染的一种防卫机制,病原来源的抗性(pathogen-derived resistance,PDR)被认为是通过RNA沉默起作用的.转化的核酸片段在基因组中的位置、长短和不同排列结构等均影响RNA沉默的效率.用全长马铃薯X病毒(PVX)CP基因构建非翻译的正义、反义和反向重复结构转基因的植物表达载体,通过农杆菌渗入法瞬时表达测试了这些转基因对RNA介导抗性的诱导效率和有效性.结果表明,反向重复的PVXCP是更为有效的RNA沉默诱导因子,同时也证明让目的基因在受试植物中瞬时表达,在转化植物之前能比较快速地检测转基因的表达情况以及表达产物的功能,从而节约时间和资源,并减少盲目性.图3表2参21     

多花黄精几丁质诱导赤霉素应答基因（CIGR）克隆及其功能

为探讨多花黄精几丁质诱导赤霉素应答基因(chitin-inducible gibberellin-responsive,CIGR)在不同光处理下的的作用机制,采用全长验证的方法获得多花黄精CIGR基因的cDNA序列、gDNA序列,并对其进行生物信息学分析,再对CIGR蛋白进行亚细胞定位观察,同时对不同光质和光周期处理下CIGR基因的表达模式进行分析.结果显示,多花黄精CIGR基因cDNA序列和gDNA全长序列一致,完整的开放阅读框(ORF)长度为1 770 bp,共编码589个氨基酸,CIGR基因无内含子结构.生物信息学分析表明CIGR具有一个GRAS结构域,属于GRAS家族,是植物特有的转录因子,为碱性蛋白,无信号肽;Motif分析表明,CIGR蛋白在物种间比较保守,保守区主要位于中部至3′末端;氨基酸序列进化分析表明,多花黄精与石刁柏的CIGR亲缘关系最近,同源性达81%.进一步亚细胞定位显示CIGR蛋白定位于细胞核,与预测结果一致.实时荧光定量PCR(qPCR)结果显示,多花黄精CIGR基因具有器官表达特异性,在叶中表达量最高.在不同光质和光周期处理下,CIGR基因在蓝光下表达量较高,在远红光下表达量低;在光周期9 h/d的处理中出现峰值.本研究表明CIGR基因可能受蓝光及短光照周期调控从而影响多花黄精叶片的发育过程.(图9表1参49)     

RNAi技术及其在植物中的应用研究进展

RNA干扰（RNA inteffemnce，RNAi）是由双链（double-stranded RNA，dsRNn）所引起的序列特异性基因沉默。是真核生物中一种非常保守的机制．RNA干扰依赖于小干扰RNA（small interference RNA，siRNA）与靶mRBA之间的严格碱基配对，具有高度特异性．本文就RNM的发现、作用机制研究、特点、以及在植物功能基因分析、抗病毒与品种改良等方面的应用进行了综述，并对存在的问题和应用前景作了分析和预测．     

龙眼胚性愈伤组织维生素C过氧化物酶基因(apx)及NADH脱氢酶基因(nad2)部分序列的克隆

采用PCR技术从龙眼胚性愈伤组织中扩增出维生素C过氧化物酶基因 (apx)的部分cDNA序列longan1及NADH脱氢酶基因(nad2)的部分cDNA序列longan31,其中longan31是首次从体胚中克隆到的NADH脱氢酶基因(nad2).杂交结果显示,longan1与胚性愈伤组织和球形胚的RNA具有明显杂交信号,说明longan1在胚性愈伤组织和球形胚阶段特异表达. 图 3参 19     

播娘蒿转录因子DsCBF与CRT/DRE元件的相互作用

CBF(C-repeat binding factor)是调控植物冷驯化相关基因表达的一种调控转录激活因子,CBF蛋白AP2结合domain可与COR基因启动子CBT/DRE元件特异性地结合,启动耐寒基因COR的表达.为研究播娘蒿DsCBF的功能,构建pET32a-DsCBF原核表达载体,通过冻融法转化入大肠杆菌BL21(DE3)中,进行原核表达,并通过镍亲和层析纯化CBF蛋白.利用EMSA(Electrophoretic mobility shift assay)分析DsCBF蛋白与播娘蒿DsCOR基因的启动子上CRT/DRE元件的相互作用.EMSA结果显示,DsCBF蛋白与含有CCGAC核心序列及TATA-box和AT-TA回文结构的50bp探针结合有滞后现象,表明与DsCOR启动子上的CRT/DRE元件有特异性结合;而与仅有CCGAC的CRT/DRE核心序列的40bp探针结合则无滞后现象,表明DsCBF与蛋白结合的识别可能与TATA-box和AT-TA回文结构有关.     

川芎咖啡酸-O-甲基转移酶基因密码子偏好性与进化分析

咖啡酸-O-甲基转移酶(COMT)是苯丙烷类代谢途径中的一个关键酶,研究其密码子偏好性对开展该基因的异源表达与分子调控研究有重要指导意义.利用Codon W、EMBOSS、SPSS与Origin等在线服务器及软件,首先分析川芎等不同植物来源COMT基因的密码子偏好性,随后以川芎COMT为重点,比较其与大肠杆菌、酵母、拟南芥与烟草等模式生物的密码子使用频率.结果表明,单子叶植物COMT基因的密码子偏好性较强,而低等植物与双子叶植物COMT基因的密码子偏好性较弱.分析COMT基因密码子偏好性与核酸序列,发现亲缘关系较近的物种不仅具有较高的核酸序列相似度,并且具有相似的密码子偏好性,推测这种现象是由于密码子偏好性的形成主要受到自然选择的影响. COMT作为一个起源古老的基因,分析其密码子偏好性对了解植物进化关系有一定作用.川芎COMT体现出与其他双子叶植物相近的密码子偏好性,其GC含量与GC3s均小于50%,偏好以A/T编码,偏好性极强(RSCU 2)的密码子有7个,ENc为51.38,整体密码子偏好性较弱.与大肠杆菌相比较,酵母可能是其更好的外源表达系统.较之拟南芥,烟草更合适作为川芎COMT的遗传转化受体.本研究表明拟南芥、烟草都可作为Lc COMT遗传转化受体系统的候选;并且烟草COMT与Lc COMT在进化树上显示出较近的亲源关系,所以烟草可能是LCCOMT相对更好的遗传转化受体;结果可为COMT基因的遗传进化研究、川芎COMT的功能验证及转基因植物培育等奠定理论基础.(图4表2参33)     

茶树RING-finger型E3泛素连接酶基因CsSDIR的克隆与表达

蛋白质泛素化修饰广泛参与植物的生长发育及逆境胁迫响应,其中RING-finger型E3泛素连接酶基因salt and drought induced ring finger1(SDIR1)在植物抗逆中具有重要的作用.为了解茶树SDIR1(CsSDIR1)在抗逆应答中的作用机制,采用RT-PCR技术从茶树中克隆CsSDIR1的全长cDNA序列及启动子序列,对其生物信息学特征进行分析,并采用qRT-PCR技术检测该基因的组织表达特异性及在不同逆境胁迫下的表达模式.结果显示,CsSDIR1基因的开放阅读框(ORF)长831 bp,编码276个氨基酸,蛋白质分子量(Mr)为30.085×103,理论等电点为6.54;氨基酸序列分析表明,CsSDIR1属于疏水性蛋白、定位在胞内膜上,与其他植物中的SDIR1相似性较高,在其N-端和C-端分别含有2个保守的跨膜结构域和C3H2C3 RING finger功能域;CsSDIR1与猕猴桃关系最近. CsSDIR1上游启动子含多个与干旱胁迫和盐胁迫响应相关的元件.表达分析显示,CsSDIR1在茎中的表达量显著高于根、叶和花;ABA、干旱和高盐诱导其表达,低温抑制CsSDIR1的表达.根据上述结果推测CsSDIR1基因可能参与了茶树的抗逆响应.     

中华猕猴桃EIN3/EIL转录因子家族的成员鉴定、系统进化和基因表达模式

EIN3/EIL家族是一类非常重要的转录因子,调控植物包括果实成熟在内的众多生长发育过程.对中华猕猴桃EIN3/EIL家族进行系统的生物信息学和比较基因组学研究,在中华猕猴桃基因组中鉴定得到8个EIN3/EIL转录因子;其蛋白序列包括1个酸性氨基酸富集区、1个脯氨酸富集区以及5-7个碱性氨基酸富集区.包括中华猕猴桃在内的20种植物的EIN3/EIL成员的系统进化树表明,EIN3/EIL基因在众多植物基因组中同时存在趋同和趋异的进化趋势.中华猕猴桃EIN3/EIL基因家族成员的增加主要源于其进化过程中发生的全基因组三倍化倍增事件.在果实成熟过程中,中华猕猴桃EIN3/EIL基因呈现组成型的高或低表达两种截然相反的基因表达趋势.本研究鉴定得到了中华猕猴桃EIN3/EIL家族的成员,系统揭示了其成员蛋白序列中的保守区域、在不同植物物种中的进化趋势,植物基因组倍增所导致的家族成员增加,以及果实发育过程中表现出的显著的基因表达水平差异,可为中华猕猴桃EIN3/EIL基因的功能研究提供候选基因以及数据基础.     

水稻锌指蛋白基因OsWIP6的克隆、表达及RNAi载体转化

为了解水稻C2H2型锌指蛋白转录因子基因的表达调控机理及生物学功能,克隆了水稻的一个C2H2型锌指蛋白转录因子基因(OsWIP6),并构建其RNA干涉植物表达载体,通过农杆菌介导转化获得转基因植株.生物信息学分析显示,OsWIP6氨基酸序列与拟南芥两个WIP家族转录因子高度同源.组织差异性表达分析表明,该基因在水稻花发育上具有表达偏向性.与野生型相比,转基因水稻表现为抽穗延迟,结实率及千粒重降低,半定量分析显示转基因植株OsWIP6表达量明显下降.因此,推断OsWIP6基因与水稻育性密切相关.     

茶树中莽草酸途径DHD/SDH基因的表达调控

3-脱氢奎尼酸脱水酶/莽草酸脱氢酶(DHD/SDH)是茶树莽草酸途径中唯一的双功能酶,一方面催化生成莽草酸,另一方面可以催化生成没食子酸.为研究DHD/SDH基因在茶树代谢途径中表达及调控模式,通过在线预测、RLM-RACE和q PCR技术探讨mi RNA对DHD/SDH的调控及表达模式.在获得的茶树mi RNA序列的基础上,对本试验室克隆得到的茶树3个DHD/SDH进行mi RNA预测和鉴定.获得了4个mi RNA参与裂解Cs DHD/SDH基因.其中mi R5180b、mi R1510b-5p和mi R24共同靶向Cs DHD/SDH2,mi R868-5p作用于Cs DHD/SDH3.同时对茶树中3个Cs DHD/SDH表达模式进行检测.不同激素处理下,Cs DHD/SDH2和Cs DHD/SDH3表达模式一致.Cs DHD/SDH2和Cs DHD/SDH3的表达模式存在协同作用.本研究表明Cs DHD/SDH1与Cs DHD/SDH2和Cs DHD/SDH3之间的表达存在负反馈调节,Cs DHD/SDH1上调表达时会导致互补基因Cs DHD/SDH2和Cs DHD/SDH3下调表达.     

水稻arf1基因3′-UTR片段的克隆和验证

终止子是一段位于基因编码之后的序列,作为一种调控信号调控DNA的转录终止和RNA的释放,在基因工程技术应用中通常被构建在目的基因下游,用以调控基因的转录和表达.现有常用的终止子很少,克隆和验证新的终止子是植物基因工程技术发展的需要.通过生物信息学分析和Realtime-PCR表达验证,筛选出候选基因腺苷酸核糖基化作用因子(Similar to ADP-ribosylation factor1,arf1)基因,克隆了水稻arf1基因3′-UTR.结果显示,所克隆3′-UTR片段含有8个多聚信号元件和4个UE片段.将3′-UTR与gus基因融合后分别与玉米泛素启动子Ubiquitin和花椰菜花叶病毒(CaMV)启动子35S连接构建植物表达载体验证3′-UTR调控表达效果.烟草瞬时表达显示3′-UTR融合的gus基因在35S和Ubi启动子驱动下,在烟草叶片中能正常表达;3′-UTR调控下的gus基因在水稻根、茎、叶、花和种子中均可稳定表达,且表达量与T-Nos终止子相当.本研究表明所克隆的3′-UTR可替代T-nos终止子,可为植物基因工程技术的应用提供新的调控元件.(图5表3参29)     

干扰烟草GA 20-氧化酶siRNA植物表达载体的构建及矮化烟草的产生

根据烟草(Nicotiana tabacum)GA 20-氧化酶基因序列,设计2对分别含有特定酶切位点的特异引物,以烟草基因组DNA为模板,扩增目的基因(约250 bp)片段.将正、反向目的片段分别插入中间载体的内含子两侧.再经BamH I和Sac I双酶切回收约700 bp的目的片段,插入到双元载体质粒p2355中,成功构建了含GA 20-氧化酶基因片段的反向重复序列植物表达载体p23700,其转录产物能形成发夹RNA(hpRNA),产生小分子干扰RNA,干扰目的基因的表达.将p23700质粒导入根癌农杆菌EHA105中并转化烟草叶片细胞,经选择分化培养,获得表型矮化的转基因烟草.图4参14     

橄榄查尔酮异构酶基因CHI的密码子偏好模式

黄酮类化合物是橄榄[Canarium album(Lour.)Raeusch]的重要活性成分,而查尔酮异构酶(Chalcone isomerase,CHI)是黄酮合成的关键酶类之一,了解橄榄查尔酮异构酶基因CHI的密码子偏好模式可为其功能和分子进化研究提供科学依据.采用Codon W和EMBOSS分析橄榄CHI的密码子偏好性参数,并通过有效密码子数(Effective number of codon,ENc)绘图、中性绘图和偏倚分析探讨单双子叶植物CHI密码子偏好性形成的可能因素,同时分别采用SPSS19.0和MEGA5.2基于密码子偏好性和序列相似性进行聚类分析.结果显示:橄榄CHI ENc值、G和C的含量(GC)以及密码子第3位上G和C含量(GC3s)分别为50.89、0.451和0.465,表明其密码子偏好性较弱,但倾向使用富含A和U,并以A或U结尾的密码子;单子叶植物CHI的密码子偏好性普遍高于双子叶植物,基于密码子偏好性和核酸序列相似性均能将单双子叶植物进行较准确的归类;密码子碱基成分和相关性分析发现,物种间CHI密码子偏好性受编码区长度的影响较小,而与碱基的组成密切相关;此外,橄榄CHI与模式生物拟南芥、烟草、大肠杆菌和酵母菌基因组均存在较大的密码子偏好性差异.本研究表明突变压力是单双子叶植物间CHI严格的密码子偏好规律形成的主要作用力,而橄榄CHI外源表达和遗传转化时需要根据宿主基因组偏好模式进行密码子优化和改造.     

茶树CSD1基因及其启动子克隆与低温胁迫下的表达

低温寒害严重影响茶树的生长发育状况及成品茶品质,Copper/zinc-superoxide dismutase(CSD)基因在植物抗胁迫响应中起着关键作用.为了解茶树CSD基因(CsCSD)响应低温胁迫的作用机制,以铁观音茶树叶片为供试材料,采用同源克隆结合RACE方法及染色体步移法,获得茶树CSD1基因的cDNA序列(GenBank登录号:KR078346)、gDNA序列及其启动子序列,并对其进行生物信息学分析,同时对低温胁迫处理下CsCSD1基因的表达模式也进行分析.结果显示,茶树CsCSD1基因cDNA全长860 bp,完整的开放阅读框(ORF)长度为459 bp,共编码152个氨基酸;gDNA基因结构分析发现CsCSD1基因由6个外显子和5个内含子构成;CpG岛预测发现启动子区域内存在1个CpG岛,CpG长度为219bp,GC含量为50.3%;CsCSD1启动子上还存在大量的顺式作用元件,包括光响应元件、激素响应元件、胁迫响应元件和其他响应元件;在低温胁迫下CsCSD1基因的表达模式显示,在低温胁迫前期,CsCSD1基因表达上调;随后CsCSD1基因的表达量不断下降.本研究表明,CsCSD1基因能够响应低温胁迫并在胁迫的不同时期发挥不同的作用,推测与低温胁迫密切相关.