CRISPR/Cas9系統(tǒng)介導(dǎo)的植物基因組編輯及其應(yīng)用

王紅霞 張一卉 李景娟 賀立龍 高建偉

摘要：CRISPR/Cas9 （clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9）系統(tǒng)是在細(xì)菌和古細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的一種抵抗病毒及質(zhì)粒入侵的獲得性免疫系統(tǒng)。該系統(tǒng)由sgRNA（single guide RNA） 及Cas9核酸酶組成，具有可操作性及效率高的優(yōu)點，已被成功運用于多種植物基因組編輯，如小麥、水稻、玉米等。本文簡要闡述了CRISPR/Cas9系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)、分類、結(jié)構(gòu)及作用機制，重點綜述了CRISPR/Cas9系統(tǒng)在植物方面的研究進展及前景，以期為利用基因組編輯技術(shù)改良農(nóng)作物的產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病性等重要農(nóng)藝性狀提供參考。

關(guān)鍵詞：CRISPR/Cas9；植物；基因組編輯

中圖分類號：S336：Q78文獻標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2018）02-0143-08

Abstract CRISPR/Cas9 （clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9） is an acquired immune system of bacteria and archaea， which can protect against virus and plasmid invasions. The system consists of sgRNA （single guide RNA） and Cas9 nuclease， which has advantages of maneuverability and high efficiency. It has been successfully applied to genome editing in a variety of plant species， such as wheat， rice， maize， etc. In this article， we briefly described the discovery， classification， structure and mechanism of CRISPR/Cas9 system， and focused on the research progress， development and prospect of CRISPR / Cas9 system application in plants， which would help us to improve crop plants in important agronomic traits such as yield， quality and disease resistance by genome editing technology.

Keywords CRISPR/Cas9； Plant； Genome editing

精準(zhǔn)編輯基因組對植物重要基因功能研究、農(nóng)作物遺傳育種具有重要推動作用。許多研究者利用各種核酸內(nèi)切酶如“基因組剪刀”編輯植物基因組，產(chǎn)生功能缺失突變體或?qū)Ω信d趣的位點進行定點修飾，研究相關(guān)基因的功能及其作用機制。

鋅指核酸酶（zinc-finger nuclease， ZFN）和類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物（transcription activa-tor-like effector， TALEN） 是20世紀(jì)人類發(fā)現(xiàn)的基因組編輯工具，它們不僅被成功應(yīng)用于植物基因組改造，并有望改革傳統(tǒng)植物育種及基因組修飾。在ZFNs和TALENs基因組編輯系統(tǒng)中，首先，DNA結(jié)合蛋白和核酸內(nèi)切酶FokⅠ融合形成人工核酸內(nèi)切酶[1，2]，而人工核酸內(nèi)切酶識別并切割特異DNA序列造成DSBs（double-strand breaks），最后通過非同源末端連接或同源重組的方式實現(xiàn)基因組堿基插入、刪除或突變[3]（圖1）。ZFNs和TALENs是兩種有效的基因組編輯工具，但是也有其自身無法克服的缺點。在ZFNs應(yīng)用中，大分子蛋白的設(shè)計與構(gòu)建既昂貴又費時費力，因此ZFNs的應(yīng)用在許多植物中受到限制[4]。而在TALENs應(yīng)用中，基因組編輯的脫靶率高、穩(wěn)定性差[5]。因此，尋找一種簡單、高效、穩(wěn)定且成本低的基因組編輯技術(shù)迫在眉睫。2013年，CRISPR/Cas9技術(shù)由于能夠高效快捷地編輯目標(biāo)基因組且成本較低，被Science雜志評為年度十大科學(xué)進展之一。該系統(tǒng)由RNA引導(dǎo)并由Cas9行使剪切功能。與ZFNs和TALENs技術(shù)相比，CRISPR/Cas9系統(tǒng)不需要設(shè)計蛋白，只需改變gRNA（guide RNA）序列中20 nt特殊片段。CRISPR/Cas9技術(shù)已被成功運用于許多植物的基因組編輯中[6]。本文將簡要介紹CRISPR/Cas9系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)及作用機制，重點介紹其在植物農(nóng)作物方面的最新研究進展。

1 CRISPR/Cas9 系統(tǒng)

1.1 CRISPR/Cas9 系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)

1987年，日本科學(xué)家在大腸桿菌基因組研究中發(fā)現(xiàn)一段特殊串聯(lián)間隔重復(fù)序列（圖2），但功能未知[8]。2002年，Jansen等[9]將該序列結(jié)構(gòu)正式命名為成簇規(guī)律性間隔短回文重復(fù)（clustered regularly interspaced short palindromic repeat， CRISPR）。在研究初期，由于缺乏病毒及外源質(zhì)粒序列信息，CRISPR行使的確切功能并未闡明，但隨著測序技術(shù)及生物信息學(xué)的發(fā)展，有研究小組發(fā)現(xiàn)細(xì)菌CRISPR序列中的間隔序列與細(xì)菌病毒的遺傳物質(zhì)具有高度同源性[10-12]，因此，科學(xué)家推測該序列可能與細(xì)菌抵抗外源遺傳物質(zhì)入侵有關(guān)。根據(jù)這一假設(shè)， Barrangou[13]和Marraffini[14，15]等的研究先后發(fā)現(xiàn)并證明CRISPR系統(tǒng)可以幫助細(xì)菌抵抗外源噬菌體入侵并阻止外源質(zhì)粒轉(zhuǎn)移，也首次通過試驗驗證了CRISPR系統(tǒng)的功能。這一系列研究表明，CRISPR/Cas9作為全新的細(xì)菌獲得性免疫系統(tǒng)，已經(jīng)成為當(dāng)前生命科學(xué)領(lǐng)域中最為炙手可熱的技術(shù)之一。

1.2 CRISPR系統(tǒng)的分類

細(xì)菌和古細(xì)菌在長期進化中形成了復(fù)雜的CRISPR適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，其根據(jù)Cas蛋白及其序列的不同分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種類型（表1）。本文將主要介紹CRISPRⅡ型系統(tǒng)，由于它不需要依賴復(fù)雜的蛋白復(fù)合物且極易操作，目前已廣泛應(yīng)用于各植物基因組編輯中。

1.3 CRISPR/Cas9 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其作用機制

CRISPR/Cas9 系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的系統(tǒng)，它首次被發(fā)現(xiàn)于產(chǎn)膿鏈球菌（Streptococcus pyogenes SF370）[19]。其基因座主要包括三部分根據(jù)干擾靶標(biāo)不同分為TypeⅢA和TypeⅢB兩種類型，前者靶標(biāo)是mRNA[17]，后者是DNA[14]。主要參與crRNA的成熟和剪切外源入侵DNA[18]。

（圖3a）：5′端是編碼tracrRNA（transactivating CRISPR RNA）的基因，其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物可以與CRISPR RNA（crRNA）互補結(jié)合，指導(dǎo)Cas9行使功能；中間為編碼Cas蛋白的相關(guān)基因，用于剪輯外源DNA；3′端由多個高度重復(fù)序列（repeat）和間隔序列（spacer）形成的R-S結(jié)構(gòu)及其前導(dǎo)序列組成。細(xì)菌首先需要采集外源入侵短片段DNA（30～50 bp），其作為前間隔序列（protospacer）被插入到CRISPR位點，由重復(fù)序列隔開，形成“記憶”。當(dāng)細(xì)菌再次遭到類似外源DNA入侵時，CRISPR基因座表達，轉(zhuǎn)錄形成接近40 nt的前體crRNA，然后借助RNA酶Ⅲ促使crRNA成熟并與tracrRNA通過堿基互補配對形成gRNA （guide RNA），激活并誘導(dǎo)Cas9蛋白催化DNA剪切[13]。Cas9蛋白是具有HNH及RuvC核酸酶活性結(jié)構(gòu)域的功能蛋白，其功能域分別負(fù)責(zé)剪切與CRISPR互補的目標(biāo)DNA鏈及非互補鏈，使雙鏈斷裂[19]。Cas9蛋白主要識別靠近20 bp目標(biāo)序列3′末端的較為保守的共有序列，該共有序列被稱為PAM序列（protospacer adjacent motif），通常為“NGG”[19，20]，但也有研究發(fā)現(xiàn)Cas9在極少情況下也可識別“NAG”序列[21]。

隨著該系統(tǒng)作用機制日趨明朗，研究者設(shè)計在體外組裝crRNA與tracrRNA雜交形成嵌合RNA分子， 指導(dǎo)Cas9蛋白切割目的基因， 形成 DSBs（double strand breaks，圖3b）?？茖W(xué)家已經(jīng)證明該嵌合RNA分子（sgRNA）不但在體外具有功能，并可使目標(biāo)序列雙鏈斷裂。該項技術(shù)在許多實驗室已逐步趨向成熟。

（a）細(xì)菌typeⅡCRISPR/Cas9系統(tǒng)：trans-activating crRNA （tracrRNA）與pre-crRNA重復(fù)區(qū)域互補配對并經(jīng)RNaseⅢ切割，形成成熟crRNA。Cas9在成熟crRNA引導(dǎo)下通過間隔序列識別目標(biāo)序列，誘導(dǎo)雙鏈斷裂，抵御外源DNA侵入。（b）嵌合RNA（sgRNA）分子形成。

體外組建crRNA和tracrRNA形成一條單鏈gRNA （guide RNA），導(dǎo)入并編輯目標(biāo)基因組位點。

2 CRISPR/Cas9 系統(tǒng)最新研究進展

2.1 載體系統(tǒng)

CRISPR/Cas9系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)使植物基因組編輯更加方便快捷，但多項試驗證明其編輯效率相對較低[23，24]。因此，各種CRISPR/Cas9載體系統(tǒng)應(yīng)運而生，包括基因敲除、敲進，基因組缺失、破壞等等，這些載體系統(tǒng)的成功構(gòu)建大大提高了植物基因組編輯效率。

2014年，Nishimasu等[25]構(gòu)建了一個含有98個核苷酸（包括20 nt目標(biāo)序列）的典型sgRNA，它能夠指導(dǎo)Cas9/sgRNA復(fù)合物行使功能。sgRNA的表達通常由核內(nèi)小RNA基因啟動子U3和U6所驅(qū)動，許多研究者通常用帶有目標(biāo)序列的U3/U6-啟動子-sgRNA表達組件來行使功能[23]。2015年，Xie等[26]通過在sgRNA兩側(cè)添加多順反子RNA的前導(dǎo)序列構(gòu)建了sgRNA載體系統(tǒng)。許多研究證明，經(jīng)過密碼子最優(yōu)化Cas9基因（Cas9p）也能夠提高植物基因組編輯效率[23，24，27]。Ma等[28]進一步通過提高Cas9p 5′末端的G/C含量使編輯效率更大提升。在早期研究中，為了使sgRNA和Cas9表達組件能夠協(xié)調(diào)而易于進入植物組織細(xì)胞，人們通常用一個瞬時表達系統(tǒng)直接將載有sgRNA和Cas9表達組件的質(zhì)粒導(dǎo)入原生質(zhì)體中，但這很難獲得可遺傳的目標(biāo)基因突變的轉(zhuǎn)基因植株[29]。于是，Shan等[24]通過基因槍法將完整的Cas9和sgRNA表達結(jié)構(gòu)擊入愈傷組織和未成熟的胚，從而使植物產(chǎn)生了可遺傳突變。Svitashev等[30]也用同樣方法在體外誘導(dǎo)了目標(biāo)基因突變。此外，有研究發(fā)現(xiàn)通過農(nóng)桿菌滲入法將帶有sgRNA表達組件的煙草花葉病毒DNA導(dǎo)入經(jīng)Cas9轉(zhuǎn)化的煙草中能夠使CRISPR/Cas9更好地發(fā)揮功能[31]。農(nóng)桿菌及病毒性系統(tǒng)由于DNA會被最大限度組裝并打包，因而不能大量暴露其序列使其轉(zhuǎn)錄，從而了限制gRNA的表達數(shù)量。Zhao等[32]通過將兩個核酸酶、HH（hammerhead）和另外一個來自于丁型肝炎病毒（HDV）的基因分別克隆到gRNA的下游和上游，從而使其前體RNA準(zhǔn)確切割形成有功能的gRNA。

2.2 多基因位點同時編輯

植物多基因位點同時編輯已經(jīng)有很多應(yīng)用，如冗余基因敲除、作物育種中多性狀的遺傳改良等等。早期，研究者通過連續(xù)循環(huán)克隆將含有不同目的片段的sgRNA表達組件插入到一個二元載體中，實現(xiàn)多位點同時編輯[23，33，34]；或者利用多重限制性內(nèi)切酶產(chǎn)生不同粘性末端的方法將sgRNA表達組件插入不同位點[33，35]。這些方法不僅限制了sgRNA表達組件的插入數(shù)量，而且較為耗時。受到Golden Gate克隆技術(shù)[36]的啟發(fā)，2015年，Ma等[28]利用Golden Gate克隆了水稻具有多個組件的CRISPR/Cas9的二元結(jié)構(gòu)，然后進行單一循環(huán)克隆實現(xiàn)了8個位點的插入、7個類似FT的基因同時突變。2017年，F(xiàn)erreira等[37]課題組利用來自假單胞菌的內(nèi)切核糖核酸酶Csy4對RNA的加工能力，將基因組編輯的一條RNA加工形成多條gRNAs，同時對釀酒酵母4個基因FAA1、FAA4、POX1和TES1進行刪除編輯，其效率達到96%。

3 CRISPR/Cas9 系統(tǒng)在植物方面的應(yīng)用

2013年，Li等[23]首次利用CRISPR/Cas9 編輯系統(tǒng)在植物體內(nèi)共表達經(jīng)密碼子最優(yōu)化的Cas9和gRNA，誘導(dǎo)擬南芥（Arabidopsis）和本生煙（Nicotiana benthamiana）特定基因突變，結(jié)果顯示，擬南芥基因突變頻率在5.6%以下，而本生煙的突變頻率在38%左右，該項研究結(jié)果第一次證明gRNA/pcoCas9系統(tǒng)能夠在植物基因組中發(fā)揮作用。隨后，各課題組也陸續(xù)展開了CRISPR/Cas9系統(tǒng)在其他植物中的研究，包括小麥、玉米、水稻、高粱等（見表2）。2013年，Jiang等[29]也以擬南芥、番茄、高粱和水稻作為試驗材料，證明了CRISPR/Cas9系統(tǒng)作為一種靈巧、功能強大的基因組編輯系統(tǒng)，可以短期應(yīng)用于模式植物及作物基因組編輯。2014年，F(xiàn)eng等[39]同樣利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)，研究了不同世代具有12個不同目標(biāo)基因位點的3個擬南芥基因，結(jié)果顯示不同世代擬南芥的突變率分別為T1代71.2%，T2代58.3%，T3代79.4%。2015年，Yan等[34]利用YAO啟動子驅(qū)動CRISPR/Cas9系統(tǒng)也實現(xiàn)了擬南芥高效率基因組編輯。2017年，Tang等[40]利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)敲除了水稻中OsNramp5基因，產(chǎn)生了低積累鎘（Cd）的秈稻，而不會降低產(chǎn)量。同年，Odipio課題組也成功地利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)在木薯基因組中實現(xiàn)了多等位基因突變。由此可見，CRISPR/Cas9系統(tǒng)是應(yīng)用于植物基因組編輯的一種新興技術(shù)。經(jīng)過這幾年發(fā)展，科學(xué)家應(yīng)用CRISPR/Cas9系統(tǒng)實現(xiàn)了目標(biāo)基因刪除、添加、激活或抑制，以研究植物基因功能及分子機制。此外，CRISPR/Cas9系統(tǒng)也可用于改進作物重要農(nóng)藝性狀，如產(chǎn)量、抗病性、抗脅迫能力、提高營養(yǎng)價值等。研究表明，重要農(nóng)藝性狀可以通過敲除或下調(diào)負(fù)調(diào)控基因得以控制。例如，

Wang等[41]通過敲除小麥中3個TaMLO同源白粉病易感基因而使其具有抗性；Liu等[42]將水稻中的ERF轉(zhuǎn)錄因子基因OsERF922進行突變，從而提高了水稻對真菌的抗性。2015年，Belhaj等[22]研究發(fā)現(xiàn)CRISPR/Cas9系統(tǒng)可以作為細(xì)菌的一種抗病毒工具，其能夠通過剪切病毒DNA來抑制DNA病毒感染植物。2017年，Zhang等[43]利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)使粳稻品種中Waxy基因發(fā)生功能缺失突變，使粳稻轉(zhuǎn)化為糯稻，而不會影響其他理想的農(nóng)藝性狀，這為改善優(yōu)秀品種的粘性提供了一個有效和簡便的策略。

目前，許多科學(xué)家已成功運用CRISPR/Cas9 系統(tǒng)實現(xiàn)了植物目的基因的高效率敲除。然而，通過該系統(tǒng)成功敲進或替換目標(biāo)片段卻極少報道。研究表明，CRISPR/Cas9系統(tǒng)也可以通過HR（homologous recombination）方式編輯目標(biāo)片段。盡管HR的效率遠低于NHEJ（non-homologous end joining），但通過HR能夠更加準(zhǔn)確地在目標(biāo)位點引入新的片段。2015年，Cermak等[53]為擴大模板供體序列設(shè)計了雙生病毒系統(tǒng)，用以促進HR修復(fù)途徑精確編輯。同時，Endo等[54]研究發(fā)現(xiàn)由于DNA連接酶Ⅴ參與NHEJ修復(fù)途徑，因此可以通過抑制DNA連接酶Ⅴ促進CRISPR/Cas9系統(tǒng)敲進或替換目標(biāo)片段。

2014年，Schiml等[55]第一次通過CRISPR/Cas9系統(tǒng)利用HR介導(dǎo)的修復(fù)機制成功在擬南芥的ADH1基因位點導(dǎo)入了具有卡那抗性的片段。2015年，Cermak等[53]也利用同樣的方法在番茄中導(dǎo)入卡那抗性的片段，實現(xiàn)了目標(biāo)基因組編輯。同年，Svitashev等[30]利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化和離子轟擊在玉米中引入了Cas9、gRNA和修復(fù)模板片段，成功通過插入目標(biāo)片段編輯了玉米基因組。有的實驗室利用離子轟擊在大豆中導(dǎo)入了Cas9、gRNA和修復(fù)模板，結(jié)果顯示其突變可遺傳后代[56]。近來有文獻報道，水稻通過HR修復(fù)方式修飾了其內(nèi)源性ALS基因，從而使其具有抗除草劑特性。發(fā)現(xiàn)當(dāng)質(zhì)粒和自由雙鏈DNA形態(tài)都存在的情況下，提供HR供體能夠提高植物同源重組修復(fù)的效率。相反，單鏈寡核苷酸則不能通過提供HR供體而發(fā)揮功能[57]。最近，也有的實驗室在擬南芥中發(fā)現(xiàn)CRISPR/Cas9系統(tǒng)多個寡核苷酸鏈模板要比單個寡核苷酸模板具有更高的編輯效率[58]。目前，許多研究人員發(fā)現(xiàn)CRISPR/Cas9系統(tǒng)可允許多個sgRNA同時表達，對基因組同時編輯。該項研究在擬南芥[23]、水稻[50]及番茄[52]中均有報道。研究發(fā)現(xiàn)在煙草[59]、擬南芥[23]、水稻[50]及番茄[52]中，多個sgRNA可以造成基因組成百上千個堿基缺失。在多倍體小麥中，Wang等[60]運用CRISPR/Cas9系統(tǒng)既可同時突變多個拷貝，也能定向突變單拷貝。2013年，Shan等[61]利用 CRISPR 技術(shù)獲得了水稻OsBADH2和OsPDS基因突變體。2015年，Zhang等[35]構(gòu)建了含有Cas9和6個gRNA表達基因序列的載體，雖然編輯效率極低，但也證明CRISPR/Cas9系統(tǒng)能夠同時編輯6個目標(biāo)位點。Wang等[62]也利用同尾酶技術(shù)和與之兼容的限制酶實現(xiàn)水稻中3個基因同時編輯。

盡管CRISPR/Cas9系統(tǒng)能夠高效并多位點同時編輯目標(biāo)基因組，但由于其脫靶效應(yīng)可能導(dǎo)致有害突變和染色體畸形，目前CRISPR/Cas9還存在很多問題。2015年，Ma等[28]在水稻中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)基因組中高GC堿基（50%～70%）含量的編輯效率相對更高，但同時也發(fā)現(xiàn)sgRNA中目標(biāo)配對序列莖環(huán)結(jié)構(gòu)的形成會降低基因組編輯效率。也有研究表明Cas9∶gRNA復(fù)合物能夠在較少錯配下剪切目標(biāo)DNA序列，也就意味著該復(fù)合物也能夠剪切其他基因組位點[63]。有研究報道，Cas9剪切并識別特異位點的堿基數(shù)少于20 bp，這更增加了目標(biāo)位點脫靶的可能性[64]。然而，Mikami[65]和Fauser[45]等研究發(fā)現(xiàn)，在水稻和擬南芥中，Cas9的切口酶活性并不能較核酸酶活性提高NHEJ和HR的修復(fù)效率，但是能夠減少脫靶效應(yīng)。2017年，LeBlanc等[66]也發(fā)現(xiàn)，在受到熱脅迫（37℃）的擬南芥中，CRISPR誘導(dǎo)的突變頻率要比長時間在標(biāo)準(zhǔn)溫度（22℃）下生長的擬南芥高得多，并在柑橘中也觀察到該現(xiàn)象，這項研究顯示溫度在調(diào)節(jié)真核生物的Cas9活性中可能具有重要作用，并為植物中CRISPR/Cas9系統(tǒng)編輯效率的提高提供一種簡單方法。

4 結(jié)語與展望

CRISPR/Cas9系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)是生命科學(xué)在基因組編輯方面邁出的重要一步，具有廣泛的發(fā)展前景。利用CRISPR/Cas9技術(shù)定點敲除不利基因，可以使作物得到精準(zhǔn)改良；利用核酸酶介導(dǎo)植物基因的替換、插入或刪除，可以使優(yōu)良基因得以穩(wěn)定遺傳等。毫無疑問，CRISPR/Cas9是作物分子育種的重要手段。但是目前CRISPR/Cas9系統(tǒng)還存在諸多亟待解決的問題，如脫靶效率的降低問題、真核生物的胞毒性問題、目標(biāo)位點范圍的控制問題等。這些問題還需更加深入的思考及研究。目前，解決其脫靶效應(yīng)高和同源重組（HR）編輯效率低的問題將是實現(xiàn)我國基因精準(zhǔn)定點編輯路上的重要一步?？傊珻RISPR/Cas9系統(tǒng)在廣泛應(yīng)用過程中必將得到不斷改進與完善，必將在植物遺傳育種實踐中發(fā)揮更大作用。

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