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科研进展

植物逆境中心发现通过抑制植物RNA沉默途径可显著提高CRISPR/Cas9的基因编辑效率

2018-10-04

        2018年9月28日,国际学术期刊Genome Biology 在线发表了中科院分子植物科学卓越创新中心/上海植物逆境生物学研究中心朱健康课题组题为“Manipulating plant RNA-silencing pathways to improve the gene editing efficiency of CRISPR/Cas9 systems”的研究论文,该研究首次报道了在转录后水平上对CRISPR/Cas9系统进行表达调控的机制,并发现通过抑制植物的RNA沉默途径可以显著提高CRISPR/Cas9的基因编辑效率。
 
        CRISPR/Cas9是一类来源于细菌获得性免疫系统的碱基编辑工具。该系统由识别靶向基因位点的引导RNA和Cas9核酸酶两部分组成,可以在生物体内中实现针对目标基因的高效和定点编辑,因此在农业,医药和合成生物学领域具有广泛的应用前景。在植物细胞中,异位表达的外源基因往往会诱导转录后基因沉默现象的发生。近年来,对CRISPR/Cas9系统的优化往往集中在转录水平上,但对其转录后水平上的调控机制还不清楚。
 
        在本项工作中,科研人员评估了先前表征的CRISPR/Cas9系统在参与RNA沉默途径的不同步骤的一组拟南芥突变体中的基因编辑活性。在植物长久以来的进化过程中,RNA沉默途径主要受到RNA病毒和转座子等外源基因的诱导,通过合成小干扰RNA(siRNA)来降解或抑制致病基因的异常表达。其中,DCL蛋白主要负责siRNA前体的加工和成熟,而AGO蛋白通过结合siRNA来实现针对目标RNA的降解或转录和翻译抑制。研究表明sgRNA和Cas9在植物细胞中的表达均受到到AGO1和DCL1的负调控,在这两个基因的突变体中,CRISPR/Cas9系统的编辑效率与野生型相比有明显提高。此外,通过干扰AGO1基因的表达或共表达病毒沉默抑制子p19蛋白也可以促进CRISPR/Cas9在植物细胞中的活性。并且,由AGO1敲低或p19蛋白过表达造成的植物叶发育表型还可以作为可视化标记来指征CRISPR/Cas9的表达水平,从而提高筛选基因编辑个体的效率。该研究建议通过减少植物中的RNA沉默来优化现有的CRISPR/Cas9 系统。该研究为进一步提高CRISPR/Cas9系统在不同物种中的表达和筛选效率提供了依据。
 
该研究受到了中国科学院以及中科院青年创新促进会的资助。