你了解CRISPR-Cas9基因敲入（knock-in）嗎？

本文原創(chuàng)：生物奇跡 本文來(lái)源：細(xì)胞基因研究圈

CRISPR - Cas9 系統(tǒng)概述

CRISPR - Cas9 是一種源自細(xì)菌免疫系統(tǒng)的基因編輯技術(shù)。CRISPR（成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列）是細(xì)菌基因組中的一段特殊 DNA 序列，Cas9 是一種能夠切割 DNA 雙鏈的核酸內(nèi)切酶。在基因編輯過(guò)程中，引導(dǎo) RNA（gRNA）將 Cas9 引導(dǎo)至目標(biāo) DNA 序列位置，隨后 Cas9 對(duì)目標(biāo) DNA 進(jìn)行切割。

 

1.敲入（Knock - in）概念

 

 

基因敲入是一種將外源基因或經(jīng)過(guò)修飾的基因序列精準(zhǔn)插入基因組特定位置的技術(shù)。與基因敲除（Knock - out）不同，基因敲入的目的是在基因組中添加或改變基因信息。

 

 

2.CRISPR - Cas9 敲入的原理

 

首先，需要精心設(shè)計(jì)合適的 gRNA。gRNA 具有特異性識(shí)別并結(jié)合到基因組中目標(biāo)敲入位點(diǎn)附近 DNA 序列的能力。在 gRNA 的引導(dǎo)作用下，Cas9 蛋白會(huì)在目標(biāo)位點(diǎn)對(duì) DNA 雙鏈進(jìn)行切割，從而產(chǎn)生 DNA 雙鏈斷裂（DSB）。

當(dāng)細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn) DSB 時(shí)，細(xì)胞會(huì)啟動(dòng)自身的 DNA 損傷修復(fù)機(jī)制，而該機(jī)制主要包括非同源末端連接（NHEJ）和同源定向修復(fù)（HDR）這兩種途徑。在基因敲入的過(guò)程中，主要借助的是 HDR 途徑。

與此同時(shí)，向細(xì)胞中提供含有目的基因序列的供體 DNA 模板，該模板的兩端設(shè)計(jì)有與 DSB 位點(diǎn)兩側(cè)具有同源性的序列。在 HDR 過(guò)程中，細(xì)胞會(huì)以供體 DNA 模板作為參考，將目的基因序列精準(zhǔn)地整合到基因組的切割位點(diǎn)處，進(jìn)而成功實(shí)現(xiàn)基因敲入。

 

 

圖1. 基因敲入原理圖

 

3.CRISPR - Cas9 敲入的步驟

 

設(shè)計(jì) gRNA 和供體 DNA 模板

為了確�；�因編輯的精準(zhǔn)性，gRNA 的設(shè)計(jì)必須具備高度的特異性，從而能夠精確地引導(dǎo) Cas9 蛋白到達(dá)目標(biāo)位點(diǎn)。借助生物信息學(xué)工具，可以高效地篩選出合適的 gRNA 序列，以最大限度地降低脫靶效應(yīng)的發(fā)生概率。在供體 DNA 模板的設(shè)計(jì)方面，需要包含目的基因以及與目標(biāo)位點(diǎn)兩側(cè)具有同源性的序列。通常情況下，同源臂的長(zhǎng)度大致在幾百個(gè)堿基對(duì)的范圍內(nèi)，然而，其具體長(zhǎng)度還需依據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體需求、細(xì)胞類(lèi)型以及其他相關(guān)因素來(lái)綜合確定。

構(gòu)建 CRISPR - Cas9 敲入載體系統(tǒng)

將 Cas9 蛋白編碼基因和 gRNA 序列整合到適合的載體中，例如質(zhì)粒載體。與此同時(shí)，供體 DNA 模板可以構(gòu)建到另一個(gè)獨(dú)立的載體中，或者通過(guò)其他方法（如寡核苷酸等）引入細(xì)胞中。

細(xì)胞轉(zhuǎn)染或其他導(dǎo)入方式

將構(gòu)建完成的CRISPR-Cas9載體系統(tǒng)及供體DNA模板導(dǎo)入目標(biāo)細(xì)胞。常用的導(dǎo)入方法包括脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染和電穿孔等。不同細(xì)胞類(lèi)型對(duì)導(dǎo)入方法的敏感性各異，因此需根據(jù)具體細(xì)胞類(lèi)型選擇適宜的導(dǎo)入手段，以提升導(dǎo)入效率。

篩選和鑒定敲入細(xì)胞

若載體攜帶篩選標(biāo)記基因，可借助抗生素篩選標(biāo)記來(lái)富集可能發(fā)生基因敲入的細(xì)胞群體；此外，熒光標(biāo)記等其他篩選手段亦可用于此目的。隨后，運(yùn)用PCR、Southern雜交、測(cè)序等技術(shù)對(duì)篩選出的細(xì)胞進(jìn)行鑒定分析，以確認(rèn)目的基因是否精準(zhǔn)地整合至預(yù)定的基因組位點(diǎn)。

 

4.應(yīng)用領(lǐng)域

 

生物醫(yī)學(xué)研究

在疾病模型構(gòu)建方面，例如在細(xì)胞或動(dòng)物模型中敲入與疾病相關(guān)的基因突變，可用于研究疾病的發(fā)病機(jī)制。以小鼠模型為例，通過(guò)敲入人類(lèi)致病基因，能夠模擬人類(lèi)遺傳性疾病的發(fā)病過(guò)程，從而為藥物研發(fā)和治療方案的探索提供重要的基礎(chǔ)。

基因治療

該技術(shù)有望應(yīng)用于單基因遺傳病的治療。例如，通過(guò)將正常基因精準(zhǔn)敲入患者細(xì)胞基因組，可糾正致病基因的缺陷。然而，基因治療在臨床應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如安全性、免疫反應(yīng)等問(wèn)題。

農(nóng)業(yè)育種

該技術(shù)可用于農(nóng)作物品種改良。例如，通過(guò)敲入抗蟲(chóng)、抗病、抗逆等基因，可提升農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。