Week 7 同源重组-CRISPR

Lecture 13: CRISPR

Segment 1: Introduction to CRISPR

Segment 2: Review of Homologous Recombination

Segment 3: 真核生物中的同源重组Homologous Recombination in Eukaryotes

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真核与原核的比较

Segment 4: Cell Cycle Terms

概览一些生物学中重要的术语和概念

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complex of macromolecules chromatin大分子染色质复合物=DNA+RNA+蛋白质
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chromosome染色体分为去凝聚和凝聚两种状态
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人类卵细胞或精子中的染色体数目N=23
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人类体细胞是二倍体,染色体数目2N=46
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蓝和红称为同源染色体,同一基因的不同版本称为等位基因alleles,在该位置称为基因座locus
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左图包含N chromosomes+1C content;中间的二倍体包含2N+2C;经过复制之后的姐妹染色体中包含2N+4C,

Segment 5: Cell Cycle

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细胞有丝分裂分为M、G1、S和G2四个周期。这四个周期可以分为细胞分裂间期和细胞分裂期两大阶段。蓝色显示细胞分裂间期 即细胞用来准备细胞分裂的时期;黄色显示细胞分裂期 也就是细胞分裂发生的时期
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G0期处于静息状态。这些细胞执行它们独特的功能,但是不会进行细胞生长或分裂,因为这些细胞不分裂。它们会有46条同源染色体或2N条染色体,没有姐妹染色单体,并且含有2C的DNA
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G1期蛋白质鉴别出复制起点并向DNA上面装载多蛋白复合物。G1和G0期数目一样,在G1末期 有一个不可逆的点通常被称作限制点 (restriction point),到了这个点 细胞会保证完成细胞周期的剩余过程,以及进入S期的转变
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S期发生了DNA复制,形成了姐妹染色体,DNA含量变为4C
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G2期是一个间期,可以让细胞为M期做准备,包括核实S期正确完成,染色体被完整而准确地复制,不需要再进行DNA修复或进一步DNA复制
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M期就是mitosis有丝分裂期,分为图中的几个阶段
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在M期DNA含量重新变为2C

Segment 6: 减数分裂重组Meiotic Recombination, Part 1

宏观上将减数分裂导致的DNA交换

Segment 7: 减数分裂重组Meiotic Recombination, Part 2

从微观上讲

Segment 8: Genome Editing and CRISPR, Part 1

CRISPR:Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats

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CRISPR来自细菌基于DNA的免疫机制,上面是重复的序列,下面是来自噬菌体的特殊的序列
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repeat region转录成RNA并整合成更大的蛋白RNA复合物
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蛋白RNA复合物根据unique sequences来定位同源DNA并切掉DNA,一旦形成切口,就会被细胞中的其他核酸外切酶进一步切割。这是细菌抵御噬菌体的机制

class I 需要多个蛋白;而class II只需要1个蛋白,比如下图中的cas9 蛋白,一个就能定位靶基因。而且cas gene恰好跟repeat region相邻,只要找到了repeats,就能找到设计的蛋白

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cas gene

Segment 9: Genome Editing and CRISPR, Part 2

为什么不会定向到细菌自己的基因呢?有两个解答,现仅以一个为例:

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细菌DNA中含有黄色的可以定位噬菌体DNA的protospacer ,噬菌体DNA中包含PAM序列而细菌中不包含,所以该系统不会定向到细菌自己的基因

如下图所示,细菌转录本包含一段spacer(黄色)和一段repeat(灰色),左边有tracrRNA以反式激活CRISPR RNA,若tracrRNA不表达,则系统不工作。Cas9 蛋白实现剪切,Cas1和Cas2蛋白从噬菌体中获得新的序列,PAM是2-3个核苷酸长度的motif。因为细菌中没有PAM,所以不会被CRISPR/Cas9系统所剪切

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CRISPR/Cas9系统

Segment 10: Genome Editing and CRISPR, Part 3

下图定位于target genome中,PAM是NGG,此图中的N为C,黄色的序列是上图中的protospacer,又称作guide RNA,而灰色的是repeat序列,又称作linker。蓝色的是tracrRNA。所以可以通过改变guide RNA 来定向识别想要编辑的基因。箭头所指向的是Nuclease Sites核酸酶位点。

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CRISPR/Cas9系统的一个示例
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靠近PAM的12个核苷酸序列必须精确,而后面的8个可以不精确
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使用两个CRISPR/Cas9系统可以实现删除一段DNA序列,结果如下所示
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deletion结果
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通过同源重组,将蓝色的DNA整合到目标序列中
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实验方法是将携带guide RNA的plasmid与repair template一起transfect转染到目的DNA中
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然后蓝色的序列就被整合进入目的DNA中了
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用途

You wish to use Cas9 to activate expression of a gene of interest. How should you modify your CRISPR gene?

  1. mutate the gene encoding Cas9 to eliminate the nuclease activity核酸酶活性,这样就不会切割目的基因了。
  2. Express Cas9 as a fusion protein融合蛋白 with a transcriptional activator转录激活因子。这样可以将转录激活因子带到想要表达的基因处,以激活该基因。

Additional CRISPR Video Resources from Our Colleagues
What is CRISPR? (2014)
Feng Zhang Explains CRISPR
Feng Zhang Lecture
CRISPR Applications to Human Health: SHERLOCK
一些文章
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