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CRISPR-Cas9 基因编辑原理详解
人阅读 发布时间：2019-07-16 16:46
CRISPR-Cas 系统（The clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats-associated protein systems）是一个细菌及古细菌进化出来用以抵御病毒和质粒入侵的适应性机制。CRISPR-Cas 系统的高效基因组编辑功能已被应用于多种生物，包括斑马鱼、小鼠、大鼠、秀丽隐杆线虫、植物及细菌。多个科研小组的研究都显示，与锌指核酸酶（ZFNs）和转录激活样效应核酸酶（Transcription activator-like effector nucleases, TALEN）相比较，CRISPR-Cas 系统介导的基因组靶向实验在细胞或斑马鱼中具有相似甚至更高的效率。
CRISPR-Cas9 体系的 RNA-DNA 识别机制为基因组工程研究提供了一项简便而强大的工具。该体系其中一个最重要的优势是 Cas9 蛋白可在多个不同的 gRNA 的引导下同时靶向多个基因组位点。
在 II 型 CRISPR 系统中，CRISPR RNA（crRNA）与转录激活 crRNA（Trans-activating crRNA, tracrRNA）退火形成的复合物能特异识别基因组序列，引导 Cas9 核酸内切酶在目的片段生成 DNA 双链断裂（double-strand breaks, DSBs）。 这个识别复合体可以通过融合 crRNA 与 tracrRNA 序列形成 sgRNA（single-guided RNA）进行简化。基因组的靶序列中有长约 20bp 的片段与 crRNA 或 sgRNA 互补配对；靶序列末端的三核苷酸区域 PAM（5『-NGG-3』）为 Cas9 识别位点，是实现剪切功能的关键。
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CRISPR-Cas9 体系的 RNA-DNA 识别机制为基因组工程研究提供了一项简便而强大的工具。该体系其中一个最重要的优势是 Cas9 蛋白可在多个不同的 gRNA 的引导下同时靶向多个基因组位点。
图 1. CRISPR/Cas9 介导的基因组编辑原理图
在 II 型 CRISPR 系统中，CRISPR RNA（crRNA）与转录激活 crRNA（Trans-activating crRNA, tracrRNA）退火形成的复合物能特异识别基因组序列，引导 Cas9 核酸内切酶在目的片段生成 DNA 双链断裂（double-strand breaks, DSBs）。 这个识别复合体可以通过融合 crRNA 与 tracrRNA 序列形成 sgRNA（single-guided RNA）进行简化。基因组的靶序列中有长约 20bp 的片段与 crRNA 或 sgRNA 互补配对；靶序列末端的三核苷酸区域 PAM（5『-NGG-3』）为 Cas9 识别位点，是实现剪切功能的关键。
图 2. CRISPR-Cas9 介导的基因编辑。（左）：sgRNA 引导 Cas9 核酸酶作用于基因组，形成的 DSBs 被非同源末端连接（NHEJ）机制修复；（右）：sgRNA 引导 Cas9 核酸酶作用于基因组，形成 DSBs，同源重组（HR）作用下，供体质粒上的目标基因及筛选标记（或其他遗传元件）在断裂处被整合进基因组。
图 3: 切口酶在结合链生产单链切口的原理图
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