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以自然為師 “基因敲高”獲突破
[所屬分類:行業動態] [發布時間:2021-11-18] [發布人:網站管理員2] [閱讀次數:] [返回]
以自然為師 “基(ji)因敲高”獲突破
作者：王方(fang) 何志勇 來(lai)源：中國科學報
山東拓普生物工(gong)程有限(xian)公司 //ljxinglong.com
近日，中國農業大學(xue)植物(wu)保護學(xue)院姜臨建與青島清原化合(he)物(wu)有(you)限(xian)公(gong)司李(li)華榮、中科院分子植物(wu)科學(xue)卓越創新中心(xin)朱(zhu)健康、貴州大學(xue)宋寶(bao)安等研究人員開展合(he)作，報道了(le)一種“基因敲高”的(de)新策略。11月15日，相(xiang)關(guan)論文發表(biao)于《自然—植物(wu)》。
研究人(ren)員表示，這項研究進一步深化(hua)了(le)對基(ji)(ji)因(yin)(yin)編(bian)輯(ji)工具(ju)的認知和理解。基(ji)(ji)因(yin)(yin)編(bian)輯(ji)創制基(ji)(ji)因(yin)(yin)組結構變異是以自然(ran)為(wei)師。“基(ji)(ji)因(yin)(yin)敲高”有望(wang)成(cheng)為(wei)基(ji)(ji)因(yin)(yin)編(bian)輯(ji)技術(shu)在(zai)動植物育種上應用的新領域。
第三大應用場景
以CRISPR/Cas9為(wei)(wei)(wei)代表的(de)(de)基(ji)因編(bian)(bian)輯技術能夠在基(ji)因組上(shang)產(chan)生(sheng)精準突變，為(wei)(wei)(wei)動植物育種(zhong)提供了革命性工具。由于基(ji)因編(bian)(bian)輯的(de)(de)最終產(chan)品(pin)不含外源基(ji)因，并且也可以通過傳統誘變或自然突變獲得，因此基(ji)因編(bian)(bian)輯作物在很(hen)多國家被(bei)視(shi)為(wei)(wei)(wei)普通品(pin)種(zhong)。在美(mei)國上(shang)市的(de)(de)高油酸(suan)大(da)豆(dou)、在日本(ben)上(shang)市的(de)(de)高γ-氨基(ji)丁酸(suan)番(fan)茄(qie)等，都是基(ji)因編(bian)(bian)輯產(chan)品(pin)作為(wei)(wei)(wei)常規品(pin)種(zhong)推廣的(de)(de)案例。
通訊作者姜臨建介紹，目(mu)前，通過基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)編(bian)輯技(ji)術(shu)來精準(zhun)誘變基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)的(de)(de)應用(yong)主要(yao)集中在(zai)兩個(ge)場(chang)景：一是(shi)(shi)對(dui)基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)敲除(chu)(chu)(chu)，這是(shi)(shi)目(mu)前基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)編(bian)輯在(zai)育(yu)種(zhong)方(fang)面最普遍(bian)的(de)(de)應用(yong)。上述大豆和番(fan)茄就(jiu)是(shi)(shi)基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)敲除(chu)(chu)(chu)的(de)(de)兩個(ge)例(li)子(zi)。二是(shi)(shi)對(dui)基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)進行點突變，即通過堿(jian)基(ji)(ji)(ji)編(bian)輯提升基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)功(gong)能。已在(zai)美國推廣種(zhong)植的(de)(de)抗ALS除(chu)(chu)(chu)草(cao)劑(ji)油菜就(jiu)是(shi)(shi)通過堿(jian)基(ji)(ji)(ji)替換使內源ALS基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)，獲得了抗除(chu)(chu)(chu)草(cao)劑(ji)的(de)(de)新功(gong)能。隨著堿(jian)基(ji)(ji)(ji)編(bian)輯技(ji)術(shu)的(de)(de)快速發展，該(gai)領(ling)域的(de)(de)應用(yong)正日益(yi)深(shen)入。
鑒于大(da)量的(de)基因(yin)通過提(ti)升(sheng)其表達(da)量即(ji)可帶來性(xing)狀(zhuang)的(de)改(gai)良，因(yin)此基因(yin)敲高（即(ji)上調基因(yin)表達(da)）是與基因(yin)敲除、堿(jian)基編輯提(ti)升(sheng)基因(yin)功能并(bing)列的(de)第三(san)大(da)應(ying)用場景(jing)。
上(shang)(shang)調(diao)基因(yin)表(biao)達(da)的通用技術路(lu)線是(shi)在目標基因(yin)附近插入(ru)調(diao)控元件，例如(ru)強啟動子(zi)、增(zeng)強子(zi)等，從而提(ti)高(gao)目標基因(yin)的表(biao)達(da)水平(ping)。但是(shi)，由于(yu)插入(ru)整合了人工(gong)DNA，在推(tui)廣(guang)(guang)應用方面(mian)可能(neng)會(hui)面(mian)臨嚴格的監(jian)管。很顯(xian)然，如(ru)果(guo)能(neng)夠在不插入(ru)人工(gong)DNA的前提(ti)下實現(xian)上(shang)(shang)調(diao)基因(yin)表(biao)達(da)，將(jiang)在推(tui)廣(guang)(guang)應用方面(mian)更具優(you)勢。不過，傳(chuan)統觀點認為該技術路(lu)線很難(nan)實現(xian)。
“敲高”水稻(dao)內源(yuan)基因(yin)
由于轉基(ji)因過(guo)表達水稻PPO1和HPPD就能夠分別(bie)帶來對兩種專利除(chu)草劑（中國自(zi)主知識產權）的抗性，該研究的核心問(wen)題是(shi)，如何在不整(zheng)合人工合成DNA（作為強(qiang)啟動子）的前提(ti)下(xia)，利用基(ji)因編輯技術大幅(fu)“敲高(gao)”這兩個(ge)基(ji)因的表達。
許多研(yan)究很早(zao)就發現(xian)，Cas9同時在一(yi)個基(ji)(ji)因(yin)(yin)的不同位置切(qie)割時，會造(zao)成刪除、倒位、重復等基(ji)(ji)因(yin)(yin)組結(jie)構(gou)變(bian)異(yi)(yi)。研(yan)究團隊突然意識到(dao)，只要在所要上調表達的目(mu)標(biao)基(ji)(ji)因(yin)(yin)附近找到(dao)高(gao)表達基(ji)(ji)因(yin)(yin)并選(xuan)擇(ze)恰當的位點切(qie)割，就能夠創(chuang)造(zao)出特定的結(jie)構(gou)變(bian)異(yi)(yi)，將高(gao)表達基(ji)(ji)因(yin)(yin)的啟動子與目(mu)標(biao)基(ji)(ji)因(yin)(yin)相連接，形成新的基(ji)(ji)因(yin)(yin)表達模式，從而(er)大幅“敲高(gao)”目(mu)標(biao)基(ji)(ji)因(yin)(yin)的表達。
據此，研究(jiu)團(tuan)隊根據水稻轉錄組(zu)信息，分別在PPO1和HPPD附近找(zhao)到了高表達基因CP12和Ubiquitin2，并采(cai)用相關設計(ji)，構建了雙靶點CRISPR載體對水稻愈傷(shang)進行了大(da)規(gui)模轉化(hua)，成功在水稻植株中創制了兩種不同且可(ke)以(yi)穩定遺傳(chuan)的基因組(zu)結構變異。
在(zai)被成(cheng)功編輯的(de)(de)水(shui)稻植株(zhu)中，CP12基(ji)因的(de)(de)啟動(dong)子驅動(dong)PPO1基(ji)因的(de)(de)表達，Ubiquitin2基(ji)因的(de)(de)啟動(dong)子驅動(dong)HPPD基(ji)因的(de)(de)表達，從而大幅“敲高”了水(shui)稻內源PPO1和HPPD基(ji)因，使水(shui)稻植株(zhu)表現出預期的(de)(de)抗(kang)除草劑性(xing)狀。
作(zuo)者表(biao)示，抗(kang)除草(cao)劑(ji)品(pin)種配合高(gao)效(xiao)的專(zhuan)利除草(cao)劑(ji)，有望為(wei)水(shui)稻田(tian)雜草(cao)防控提供更加高(gao)效(xiao)的解決方案。
有望成為(wei)基因編(bian)輯技術新領域
長期以來，Cas9一(yi)直(zhi)被(bei)作為(wei)基(ji)因敲除(chu)工(gong)具(ju)(ju)，而點突變及上調基(ji)因表達通常需要插(cha)入人工(gong)DNA模(mo)板(ban)，這是對基(ji)因編輯工(gong)具(ju)(ju)的傳統認知。
之前(qian)，該團隊開發了“循環(huan)打靶(ba)(ba)”堿基(ji)編(bian)輯策略，通(tong)過雙靶(ba)(ba)點的“循環(huan)打靶(ba)(ba)”設計(ji)將Cas9變成(cheng)了全功能的堿基(ji)編(bian)輯器。此(ci)次研究中，團隊設計(ji)了能夠(gou)上調基(ji)因表達的倒位、重(zhong)復等基(ji)因組結構變異，成(cheng)功實現(xian)了對目標(biao)基(ji)因的敲高。
姜臨建表示(shi)，這(zhe)意味(wei)著無需人工DNA模板，Cas9不(bu)僅能夠敲除基因(yin)，還可(ke)以(yi)創制點(dian)突變和(he)敲高基因(yin)，是名副其實的全功能基因(yin)及基因(yin)組編(bian)輯工具(ju)(ju)。該研究(jiu)進一步深化了(le)對基因(yin)編(bian)輯工具(ju)(ju)的認知和(he)理解(jie)。
隨著長片段(duan)測序技術(shu)的(de)發展(zhan)，在基(ji)因組(zu)層面上(shang)比較不同(tong)品種(zhong)之(zhi)間(jian)的(de)差異(yi)成為可能(neng)，“泛(fan)基(ji)因組(zu)學”方(fang)興未艾(ai)。大量泛(fan)基(ji)因組(zu)學研究表明不同(tong)品種(zhong)之(zhi)間(jian)存在大量結(jie)構變異(yi)。一些重(zhong)要的(de)農藝性狀就是(shi)基(ji)因組(zu)結(jie)構變異(yi)的(de)結(jie)果。例如，蟠桃和圓桃之(zhi)間(jian)的(de)果型差異(yi)是(shi)由(you)桃基(ji)因組(zu)上(shang)大片段(duan)的(de)倒位導(dao)致(zhi)的(de)；水稻(dao)基(ji)因組(zu)上(shang)特定片段(duan)的(de)重(zhong)復(fu)能(neng)夠影響秈粳雜交稻(dao)的(de)育性。
由(you)此，作(zuo)者認為，基因(yin)組(zu)結(jie)構變異是物種演化的重要推動力，是自然界中的普遍現(xian)象。通過(guo)基因(yin)編輯技術(shu)創制預期(qi)的結(jie)構變異，是以(yi)自然為師而已。
改變基因的(de)表達(da)模式是(shi)動(dong)植物遺傳(chuan)改良(liang)的(de)重要(yao)方面，但(dan)長期以來主要(yao)依靠插入人工DNA來實現。這項研究提供了改變基因表達(da)模式（尤(you)其是(shi)敲高基因）的(de)通用方法，不需要(yao)插入人工DNA，有望開辟基因編(bian)輯技術在(zai)動(dong)植物育種上應(ying)用的(de)新領域。
相關論(lun)文(wen)信息：//doi.org/10.1038/s41477-021-01019-4
作者：王方(fang) 何志勇 來(lai)源：中國科學報
山東拓普生物工(gong)程有限(xian)公司 //ljxinglong.com
近日，中國農業大學(xue)植物(wu)保護學(xue)院姜臨建與青島清原化合(he)物(wu)有(you)限(xian)公(gong)司李(li)華榮、中科院分子植物(wu)科學(xue)卓越創新中心(xin)朱(zhu)健康、貴州大學(xue)宋寶(bao)安等研究人員開展合(he)作，報道了(le)一種“基因敲高”的(de)新策略。11月15日，相(xiang)關(guan)論文發表(biao)于《自然—植物(wu)》。
研究人(ren)員表示，這項研究進一步深化(hua)了(le)對基(ji)(ji)因(yin)(yin)編(bian)輯(ji)工具(ju)的認知和理解。基(ji)(ji)因(yin)(yin)編(bian)輯(ji)創制基(ji)(ji)因(yin)(yin)組結構變異是以自然(ran)為(wei)師。“基(ji)(ji)因(yin)(yin)敲高”有望(wang)成(cheng)為(wei)基(ji)(ji)因(yin)(yin)編(bian)輯(ji)技術(shu)在(zai)動植物育種上應用的新領域。
第三大應用場景
以CRISPR/Cas9為(wei)(wei)(wei)代表的(de)(de)基(ji)因編(bian)(bian)輯技術能夠在基(ji)因組上(shang)產(chan)生(sheng)精準突變，為(wei)(wei)(wei)動植物育種(zhong)提供了革命性工具。由于基(ji)因編(bian)(bian)輯的(de)(de)最終產(chan)品(pin)不含外源基(ji)因，并且也可以通過傳統誘變或自然突變獲得，因此基(ji)因編(bian)(bian)輯作物在很(hen)多國家被(bei)視(shi)為(wei)(wei)(wei)普通品(pin)種(zhong)。在美(mei)國上(shang)市的(de)(de)高油酸(suan)大(da)豆(dou)、在日本(ben)上(shang)市的(de)(de)高γ-氨基(ji)丁酸(suan)番(fan)茄(qie)等，都是基(ji)因編(bian)(bian)輯產(chan)品(pin)作為(wei)(wei)(wei)常規品(pin)種(zhong)推廣的(de)(de)案例。
通訊作者姜臨建介紹，目(mu)前，通過基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)編(bian)輯技(ji)術(shu)來精準(zhun)誘變基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)的(de)(de)應用(yong)主要(yao)集中在(zai)兩個(ge)場(chang)景：一是(shi)(shi)對(dui)基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)敲除(chu)(chu)(chu)，這是(shi)(shi)目(mu)前基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)編(bian)輯在(zai)育(yu)種(zhong)方(fang)面最普遍(bian)的(de)(de)應用(yong)。上述大豆和番(fan)茄就(jiu)是(shi)(shi)基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)敲除(chu)(chu)(chu)的(de)(de)兩個(ge)例(li)子(zi)。二是(shi)(shi)對(dui)基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)進行點突變，即通過堿(jian)基(ji)(ji)(ji)編(bian)輯提升基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)功(gong)能。已在(zai)美國推廣種(zhong)植的(de)(de)抗ALS除(chu)(chu)(chu)草(cao)劑(ji)油菜就(jiu)是(shi)(shi)通過堿(jian)基(ji)(ji)(ji)替換使內源ALS基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)，獲得了抗除(chu)(chu)(chu)草(cao)劑(ji)的(de)(de)新功(gong)能。隨著堿(jian)基(ji)(ji)(ji)編(bian)輯技(ji)術(shu)的(de)(de)快速發展，該(gai)領(ling)域的(de)(de)應用(yong)正日益(yi)深(shen)入。
鑒于大(da)量的(de)基因(yin)通過提(ti)升(sheng)其表達(da)量即(ji)可帶來性(xing)狀(zhuang)的(de)改(gai)良，因(yin)此基因(yin)敲高（即(ji)上調基因(yin)表達(da)）是與基因(yin)敲除、堿(jian)基編輯提(ti)升(sheng)基因(yin)功能并(bing)列的(de)第三(san)大(da)應(ying)用場景(jing)。
上(shang)(shang)調(diao)基因(yin)表(biao)達(da)的通用技術路(lu)線是(shi)在目標基因(yin)附近插入(ru)調(diao)控元件，例如(ru)強啟動子(zi)、增(zeng)強子(zi)等，從而提(ti)高(gao)目標基因(yin)的表(biao)達(da)水平(ping)。但是(shi)，由于(yu)插入(ru)整合了人工(gong)DNA，在推(tui)廣(guang)(guang)應用方面(mian)可能(neng)會(hui)面(mian)臨嚴格的監(jian)管。很顯(xian)然，如(ru)果(guo)能(neng)夠在不插入(ru)人工(gong)DNA的前提(ti)下實現(xian)上(shang)(shang)調(diao)基因(yin)表(biao)達(da)，將(jiang)在推(tui)廣(guang)(guang)應用方面(mian)更具優(you)勢。不過，傳(chuan)統觀點認為該技術路(lu)線很難(nan)實現(xian)。
“敲高”水稻(dao)內源(yuan)基因(yin)
由于轉基(ji)因過(guo)表達水稻PPO1和HPPD就能夠分別(bie)帶來對兩種專利除(chu)草劑（中國自(zi)主知識產權）的抗性，該研究的核心問(wen)題是(shi)，如何在不整(zheng)合人工合成DNA（作為強(qiang)啟動子）的前提(ti)下(xia)，利用基(ji)因編輯技術大幅(fu)“敲高(gao)”這兩個(ge)基(ji)因的表達。
許多研(yan)究很早(zao)就發現(xian)，Cas9同時在一(yi)個基(ji)(ji)因(yin)(yin)的不同位置切(qie)割時，會造(zao)成刪除、倒位、重復等基(ji)(ji)因(yin)(yin)組結(jie)構(gou)變(bian)異(yi)(yi)。研(yan)究團隊突然意識到(dao)，只要在所要上調表達的目(mu)標(biao)基(ji)(ji)因(yin)(yin)附近找到(dao)高(gao)表達基(ji)(ji)因(yin)(yin)并選(xuan)擇(ze)恰當的位點切(qie)割，就能夠創(chuang)造(zao)出特定的結(jie)構(gou)變(bian)異(yi)(yi)，將高(gao)表達基(ji)(ji)因(yin)(yin)的啟動子與目(mu)標(biao)基(ji)(ji)因(yin)(yin)相連接，形成新的基(ji)(ji)因(yin)(yin)表達模式，從而(er)大幅“敲高(gao)”目(mu)標(biao)基(ji)(ji)因(yin)(yin)的表達。
據此，研究(jiu)團(tuan)隊根據水稻轉錄組(zu)信息，分別在PPO1和HPPD附近找(zhao)到了高表達基因CP12和Ubiquitin2，并采(cai)用相關設計(ji)，構建了雙靶點CRISPR載體對水稻愈傷(shang)進行了大(da)規(gui)模轉化(hua)，成功在水稻植株中創制了兩種不同且可(ke)以(yi)穩定遺傳(chuan)的基因組(zu)結構變異。
在(zai)被成(cheng)功編輯的(de)(de)水(shui)稻植株(zhu)中，CP12基(ji)因的(de)(de)啟動(dong)子驅動(dong)PPO1基(ji)因的(de)(de)表達，Ubiquitin2基(ji)因的(de)(de)啟動(dong)子驅動(dong)HPPD基(ji)因的(de)(de)表達，從而大幅“敲高”了水(shui)稻內源PPO1和HPPD基(ji)因，使水(shui)稻植株(zhu)表現出預期的(de)(de)抗(kang)除草劑性(xing)狀。
作(zuo)者表(biao)示，抗(kang)除草(cao)劑(ji)品(pin)種配合高(gao)效(xiao)的專(zhuan)利除草(cao)劑(ji)，有望為(wei)水(shui)稻田(tian)雜草(cao)防控提供更加高(gao)效(xiao)的解決方案。
有望成為(wei)基因編(bian)輯技術新領域
長期以來，Cas9一(yi)直(zhi)被(bei)作為(wei)基(ji)因敲除(chu)工(gong)具(ju)(ju)，而點突變及上調基(ji)因表達通常需要插(cha)入人工(gong)DNA模(mo)板(ban)，這是對基(ji)因編輯工(gong)具(ju)(ju)的傳統認知。
之前(qian)，該團隊開發了“循環(huan)打靶(ba)(ba)”堿基(ji)編(bian)輯策略，通(tong)過雙靶(ba)(ba)點的“循環(huan)打靶(ba)(ba)”設計(ji)將Cas9變成(cheng)了全功能的堿基(ji)編(bian)輯器。此(ci)次研究中，團隊設計(ji)了能夠(gou)上調基(ji)因表達的倒位、重(zhong)復等基(ji)因組結構變異，成(cheng)功實現(xian)了對目標(biao)基(ji)因的敲高。
姜臨建表示(shi)，這(zhe)意味(wei)著無需人工DNA模板，Cas9不(bu)僅能夠敲除基因(yin)，還可(ke)以(yi)創制點(dian)突變和(he)敲高基因(yin)，是名副其實的全功能基因(yin)及基因(yin)組編(bian)輯工具(ju)(ju)。該研究(jiu)進一步深化了(le)對基因(yin)編(bian)輯工具(ju)(ju)的認知和(he)理解(jie)。
隨著長片段(duan)測序技術(shu)的(de)發展(zhan)，在基(ji)因組(zu)層面上(shang)比較不同(tong)品種(zhong)之(zhi)間(jian)的(de)差異(yi)成為可能(neng)，“泛(fan)基(ji)因組(zu)學”方(fang)興未艾(ai)。大量泛(fan)基(ji)因組(zu)學研究表明不同(tong)品種(zhong)之(zhi)間(jian)存在大量結(jie)構變異(yi)。一些重(zhong)要的(de)農藝性狀就是(shi)基(ji)因組(zu)結(jie)構變異(yi)的(de)結(jie)果。例如，蟠桃和圓桃之(zhi)間(jian)的(de)果型差異(yi)是(shi)由(you)桃基(ji)因組(zu)上(shang)大片段(duan)的(de)倒位導(dao)致(zhi)的(de)；水稻(dao)基(ji)因組(zu)上(shang)特定片段(duan)的(de)重(zhong)復(fu)能(neng)夠影響秈粳雜交稻(dao)的(de)育性。
由(you)此，作(zuo)者認為，基因(yin)組(zu)結(jie)構變異是物種演化的重要推動力，是自然界中的普遍現(xian)象。通過(guo)基因(yin)編輯技術(shu)創制預期(qi)的結(jie)構變異，是以(yi)自然為師而已。
改變基因的(de)表達(da)模式是(shi)動(dong)植物遺傳(chuan)改良(liang)的(de)重要(yao)方面，但(dan)長期以來主要(yao)依靠插入人工DNA來實現。這項研究提供了改變基因表達(da)模式（尤(you)其是(shi)敲高基因）的(de)通用方法，不需要(yao)插入人工DNA，有望開辟基因編(bian)輯技術在(zai)動(dong)植物育種上應(ying)用的(de)新領域。
相關論(lun)文(wen)信息：//doi.org/10.1038/s41477-021-01019-4
