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玉米中心基因組編輯團隊利用高保真Cas9變體優化,實現高效敲除和堿基替換

發布時間:2020/7/15 16:25:45   閱讀次數:


 2019年11月24日,玉米DNA指紋及分子育種北京市重點實驗室基因組編輯團隊在國際知名學術刊物BMC Plant Biology上發表了題為“Multiplex nucleotide editing by high-fidelity Cas9 variants with improved efficiency in rice”的研究論文。利用三種高保真Cas9變體在植物中實現了多靶點C/T堿基編輯和基因敲除,并降低了脫靶效應。

 

 堿基編輯技術(Base editing)是基于CRISPR/Cas系統發展起來的新型靶基因編輯技術,在2017年被Science雜志評為年度十大科學技術突破之一。由于單堿基基因編輯器不引入雙鏈DNA斷裂,被認為比傳統方法更加高效而安全,2019年3月,中科院楊輝和高彩霞團隊分別在Science雜志上發表研究論文,發現C/T單堿基編輯器系統可在小鼠胚胎以及水稻中導致單核苷酸脫靶突變,因此C/T單堿基編輯器保真性還需要進一步優化提高。

 本研究首先對PmCDA1和rAPOBEC1介導的兩種常用的C/T堿基編輯器SpCas9-pBE和SpCas9-rBE在基因組多個位點進行了比較,發現pBE的堿基編輯效率明顯高于rBE。在此基礎上,將三種高保真eSpCas9(1.1)、SpCas9-HF2和HypaCas9分別與PmCDA1融合,形成三種新的堿基編輯器eSpCas9(1.1)-pBE、SpCas9-HF2-pBE、HypaCas9-pBE。當使用串聯tRNA及強化的sgRNA進行多靶點編輯時,三種高保真酶堿基編輯器表現出不同的增效作用,其中eSpCas9(1.1)-pBE的效率最高可以提升25.5倍,并在多個靶點上保持著更低的脫靶效應。另外,本研究還對三種高保真酶在水稻中的基因敲除進行了系統分析,發現eSpCas9(1.1)和SpCas9本底效率相當,經過串聯tRNA強化及sgRNA優化后都可以提升2-3倍。綜上所述,在植物中進行堿基編輯或基因敲除,且需要更低的靶點依賴性脫靶效應時,高保真性的eSpCas9(1.1)可能是普通Cas9的理想替代酶。

 徐雯、宋偉為本文共同第一作者,楊進孝為本文通訊作者。本研究得到北京學者(BSP041)和我院創新團隊項目(JNKYT201603)資助。玉米基因組編輯團隊是2017年由玉米DNA指紋及分子育種重點實驗室引進建設的技術創新團隊,目前主要聚焦于堿基編輯、精確替換、組學編輯及其在玉米和水稻等作物中的高效應用。這是該團隊2019年在國際學術期刊上發表的第四篇高水平研究論文。

 

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