细菌基因编辑的基本工具与原理

1. 位点特异性基因重组系统

Cre-lox 重组系统和FLP-FRT 重组系统都是位点特异性基因重组技术。Cre-lox 系统来源于大肠杆菌（Escherichia coli）P1 噬菌体，可以促使噬菌体DNA插入到细菌基因组中。Cre 为重组酶，可以识别长度为34 bp 具有方向性的loxP 位点。同一DNA分子上同向的两个loxP 位点发生重组，可以删除两个loxP 位点之间的DNA 片段；同一DNA 分子上反向的两个loxP 位点发生重组，可以使两个loxP 位点之间的DNA 片段发生倒置；具有单个loxP 位点的环状DNA 序列与第二个DNA 分子的loxP 位点发生重组，可以将环状序列插入到第二个DNA 分子的loxP 位点上。loxP 位点在自然界基因组中出现的概率极低，因此在进行基因编辑时，首先要在受体基因组上引入loxP 位点，再诱导Cre 重组酶的表达并催化loxP 位点之间发生重组。在细菌基因编辑中，Cre-lox 重组系统常用作删除选择标记基因、大片段基因的删除和倒置等。Cre 重组酶发挥作用不需要任何辅助因子，Cre-lox 重组系统具有广谱性，理论上可以在任何细胞环境的任何类型DNA 分子上发挥有效作用。Flp-FRT 系统是Cre-lox 系统在真核细胞内的同源系统，与Cre-lox 系统的工作原理极为相似，Flp 为重组酶，识别具有方向性的FRT 位点。

2.同源重组系统

λ-Red 同源重组系统包含3 个来源于λ 噬菌体Red 操纵子的基因，其中λ Gam 蛋白抑制RecBCD酶的活性，以保护外源线性DNA 免受降解。λ Exo是以双链DNA（Double-stranded DNA，dsDNA） 为底物的核酸外切酶，可以催化5'-3' 方向的降解，而产生3'-5' 的线性单链DNA（single-stranded DNA，ssDNA）， 当dsDNA 的一条链被降解后， 产生的ssDNA 将不会被λ Exo 降解。λ Beta 蛋白可以结合在ssDNA 上起到保护作用，引导同源配对促进同源重组的发生。RecE/T 重组系统与λ-Red 同源重组系统作用机制类似，RecE 蛋白发挥与λ Exo 蛋白相似的功能，RecT 蛋白发挥与λ Beta 蛋白相似的功能。RecE/T 系统缺少RecBCD 酶的抑制蛋白。进行基因编辑时，在细菌中引入两端具有与受体基因组DNA同源片段的外源dsDNA 分子，借助于λ-Red 重组系统或RecE/T 重组系统，诱发同源片段中间的外源DNA 序列与基因组序列发生交换，从而可实现基于同源重组的基因编辑。传统的λ-Red 同源重组系统是在细菌中引入dsDNA，Ellis 等在2001 年提出利用70-90 bp 长度的ssDNA 为底物可以简化λ-Red 系统，不需要λExo 介导的产生单链的过程。目前比较接受的机制为退火学说（Strand annealing），即无论是在细菌中引入同源dsDNA 后通过λ Exo 外切酶产生的ssDNA，还是在细菌中直接引入的ssDNA，都会在λ Beta 蛋白保护和介导下以冈崎片段的方式结合到DNA 复制过程中的后随链上，产生一个野生型基因组和一个异源双链的基因组。随后具有异源双链基因组的细菌细胞再经过一次DNA 复制和细胞分裂产生一个野。生型基因组和一个突变型基因组。

3.靶向核酸酶

包含之前提到过的ZFN、TALEN和CRISPR/Cas9系统，这里就不多介绍了。