Week 7 同源重組-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組Homologous Recombination in Eukaryotes

真核與原核的比較

Segment 4: Cell Cycle Terms

概覽一些生物學(xué)中重要的術(shù)語(yǔ)和概念

complex of macromolecules chromatin大分子染色質(zhì)復(fù)合物=DNA+RNA+蛋白質(zhì)
chromosome染色體分為去凝聚和凝聚兩種狀態(tài)
人類卵細(xì)胞或精子中的染色體數(shù)目N=23
人類體細(xì)胞是二倍體渣窜,染色體數(shù)目2N=46
藍(lán)和紅稱為同源染色體想括,同一基因的不同版本稱為等位基因alleles,在該位置稱為基因座locus
左圖包含N chromosomes+1C content;中間的二倍體包含2N+2C裁厅;經(jīng)過復(fù)制之后的姐妹染色體中包含2N+4C梅誓,

Segment 5: Cell Cycle

細(xì)胞有絲分裂分為M蜒茄、G1、S和G2四個(gè)周期诈泼。這四個(gè)周期可以分為細(xì)胞分裂間期和細(xì)胞分裂期兩大階段循榆。藍(lán)色顯示細(xì)胞分裂間期 即細(xì)胞用來準(zhǔn)備細(xì)胞分裂的時(shí)期;黃色顯示細(xì)胞分裂期 也就是細(xì)胞分裂發(fā)生的時(shí)期
G0期處于靜息狀態(tài)查刻。這些細(xì)胞執(zhí)行它們獨(dú)特的功能番宁,但是不會(huì)進(jìn)行細(xì)胞生長(zhǎng)或分裂,因?yàn)檫@些細(xì)胞不分裂赖阻。它們會(huì)有46條同源染色體或2N條染色體蝶押,沒有姐妹染色單體,并且含有2C的DNA
G1期蛋白質(zhì)鑒別出復(fù)制起點(diǎn)并向DNA上面裝載多蛋白復(fù)合物火欧。G1和G0期數(shù)目一樣棋电,在G1末期 有一個(gè)不可逆的點(diǎn)通常被稱作限制點(diǎn) (restriction point),到了這個(gè)點(diǎn) 細(xì)胞會(huì)保證完成細(xì)胞周期的剩余過程苇侵,以及進(jìn)入S期的轉(zhuǎn)變
S期發(fā)生了DNA復(fù)制赶盔,形成了姐妹染色體,DNA含量變?yōu)?C
G2期是一個(gè)間期榆浓,可以讓細(xì)胞為M期做準(zhǔn)備于未,包括核實(shí)S期正確完成,染色體被完整而準(zhǔn)確地復(fù)制,不需要再進(jìn)行DNA修復(fù)或進(jìn)一步DNA復(fù)制
M期就是mitosis有絲分裂期烘浦,分為圖中的幾個(gè)階段
在M期DNA含量重新變?yōu)?C

Segment 6: 減數(shù)分裂重組Meiotic Recombination, Part 1

宏觀上將減數(shù)分裂導(dǎo)致的DNA交換

Segment 7: 減數(shù)分裂重組Meiotic Recombination, Part 2

從微觀上講

Segment 8: Genome Editing and CRISPR, Part 1

CRISPR:Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats

CRISPR來自細(xì)菌基于DNA的免疫機(jī)制抖坪,上面是重復(fù)的序列,下面是來自噬菌體的特殊的序列
repeat region轉(zhuǎn)錄成RNA并整合成更大的蛋白R(shí)NA復(fù)合物
蛋白R(shí)NA復(fù)合物根據(jù)unique sequences來定位同源DNA并切掉DNA闷叉,一旦形成切口擦俐,就會(huì)被細(xì)胞中的其他核酸外切酶進(jìn)一步切割。這是細(xì)菌抵御噬菌體的機(jī)制

class I 需要多個(gè)蛋白握侧;而class II只需要1個(gè)蛋白蚯瞧,比如下圖中的cas9 蛋白,一個(gè)就能定位靶基因品擎。而且cas gene恰好跟repeat region相鄰埋合,只要找到了repeats,就能找到設(shè)計(jì)的蛋白

cas gene

Segment 9: Genome Editing and CRISPR, Part 2

為什么不會(huì)定向到細(xì)菌自己的基因呢?有兩個(gè)解答萄传,現(xiàn)僅以一個(gè)為例:

細(xì)菌DNA中含有黃色的可以定位噬菌體DNA的protospacer 饥悴,噬菌體DNA中包含PAM序列而細(xì)菌中不包含,所以該系統(tǒng)不會(huì)定向到細(xì)菌自己的基因

如下圖所示盲再,細(xì)菌轉(zhuǎn)錄本包含一段spacer(黃色)和一段repeat(灰色)西设,左邊有tracrRNA以反式激活CRISPR RNA,若tracrRNA不表達(dá)答朋,則系統(tǒng)不工作贷揽。Cas9 蛋白實(shí)現(xiàn)剪切,Cas1和Cas2蛋白從噬菌體中獲得新的序列梦碗,PAM是2-3個(gè)核苷酸長(zhǎng)度的motif禽绪。因?yàn)榧?xì)菌中沒有PAM,所以不會(huì)被CRISPR/Cas9系統(tǒng)所剪切

CRISPR/Cas9系統(tǒng)

Segment 10: Genome Editing and CRISPR, Part 3

下圖定位于target genome中洪规,PAM是NGG印屁,此圖中的N為C,黃色的序列是上圖中的protospacer斩例,又稱作guide RNA雄人,而灰色的是repeat序列,又稱作linker念赶。藍(lán)色的是tracrRNA础钠。所以可以通過改變guide RNA 來定向識(shí)別想要編輯的基因。箭頭所指向的是Nuclease Sites核酸酶位點(diǎn)叉谜。

CRISPR/Cas9系統(tǒng)的一個(gè)示例
靠近PAM的12個(gè)核苷酸序列必須精確旗吁,而后面的8個(gè)可以不精確
使用兩個(gè)CRISPR/Cas9系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)刪除一段DNA序列,結(jié)果如下所示
deletion結(jié)果
通過同源重組停局,將藍(lán)色的DNA整合到目標(biāo)序列中
實(shí)驗(yàn)方法是將攜帶guide RNA的plasmid與repair template一起transfect轉(zhuǎn)染到目的DNA中
然后藍(lán)色的序列就被整合進(jìn)入目的DNA中了
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核酸酶活性很钓,這樣就不會(huì)切割目的基因了香府。
  2. Express Cas9 as a fusion protein融合蛋白 with a transcriptional activator轉(zhuǎn)錄激活因子。這樣可以將轉(zhuǎn)錄激活因子帶到想要表達(dá)的基因處码倦,以激活該基因企孩。

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
Dynamics and Impact of Homologous Recombination on the Evolution of Legionella pneumophila
CRISPR/Cas9 Targeting Events Cause Complex Deletions and Insertions at 17 sites in the Mouse Genome
CRISPR/Cas9-mediated Mutation of Tyrosinase (Tyr) 3′ UTR Induce Graying in Rabbit
CRISPR/Cas9-APEX-Mediated Proximity Labeling Enables Discovery of Proteins Associated with a Predefined Genomic Locus in Living Cells

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