双sgRNA策略便利于CRISPR/Cas9系统介导的基因组改造和动物模型构建

【摘要】：自2012年,为细菌提供获得性免疫防御的CRISPR/Cas9系统,被改造成RNA引导靶向基因组的核酸内切酶工具,用于编辑哺乳动物的基因组;并且通过向单细胞期的胚胎共注射Cas9mRNA和sgRNA,可以一步法直接获得基因组编辑的小鼠。在此,我们利用双sgRNA同时靶向单个基因,在模式动物小鼠上将基因编辑的效率提高到100%,等位基因双突变达到77.8%,且等位基因双纯合突变效果在功能上得到了验证;但同时CRISPR/Cas9系统也显示出一定程度的脱靶效应,且具有位置依赖性和个体间差异性。通过Cas9/双sgRNA获得的首建鼠可以通过生殖传递将编辑的基因遗传给下一代。因此,我们成功建立了基于CRISPR/Cas9系统的双sgRNA策略,可以大力提高基因组改造效率。双sgRNA策略的基因编辑高效性及CRISPR/Cas9系统的多靶向性为一步法直接建立多基因编辑动物模型提供了可能性。我们选取并靶向编辑了 B2m、Il2rg、Prf1、Prkdc和Rag1这些免疫系统相关基因,基因编辑的效率达到近100%,各基因呈现出多种突变形式,并获得了多种免疫基因缺陷的小鼠模型。进而验证了双sgRNA策略可以简单而有效地建立多基因编辑动物模型。在模式动物的实验基础上,我们探索了 CRISPR/Cas9系统能否应用于大型动物的模型建立和品种改良。通过单细胞期的胚胎进行共注射Cas9 mRNA和靶向MSTN基因的双sgRNA,得到了基因编辑的山羊。在细胞实验中,MSTN sgRNA的靶向性可以高达60%;在得到的79只被试山羊中,有12.7%发生了 MSTN基因突变。在验证细胞上的靶向突变效率的同时,检测到了 CRISPR/Cas9系统存在脱靶效应,且具有位置依赖性和个体差异性。通过体重记录、组织切片染色、透射电镜、定量PCR、蛋白印记和免疫荧光染色等表型分析手段和分子技术表明了 MSTN突变山羊的呈现体重增加和肌纤维变大特征,证明了 CRISPR/Cas9系统可以用于编辑基因产生需要的表型。在生殖腺和生殖细胞基因型检测中,MSTN突变存在于生殖细胞中,大有可能通过生殖传递遗传给下一代。因此,CRISPR/Cas9系统是生产基因编辑家畜的高效工具,将在家畜育种方面有大的应用前景。综上,通过细胞和动物实验,双sgRNA策略有利于CRISPR/Cas9系统介导的基因组改造和动物模型构建。