基因编辑作物技术原理商业化及检测研究进展

作物杂志,2023,39(2):16-23doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2023.02.003

专题综述

2哈尔滨海关技术中心齐齐哈尔综合实验室,161000,黑龙江齐齐哈尔

2QiqiharIntegratedLaboratoryofHarbinCustomsTechnologyCenter,Qiqihar161000,Heilongjiang,China

收稿日期:2022-03-25修回日期:2022-07-26网络出版日期:2023-02-26

Received:2022-03-25Revised:2022-07-26Online:2023-02-26

作者简介Aboutauthors

窦迎港,研究方向为化学和生物学,E-mail:578253129@qq.com

关键词:基因编辑;原理;应用;监管;检测

Sincetheintroductionofgeneeditingtechnologyin2012,ithasattractedwidespreadattentionandcontinuestobreaknewgroundintermsofapplicationprospects.Thistechnologyuses“molecularscissors”tobreakDNAdoublestrandsandattachnon-homologousendsorhomologousrecombinationtomutate,knockout,insertorreplacespecificsitesinDNA.Thispaperdetailedtheprinciplesandtechnicalmethodsofvariousgeneeditingtechnologiestodate,explainedthecurrentapplicationofthetechnologyandtheprogressofcommercializationoftheeditedcrops,andanalyzedthedetectionstudiesofthetechnology.Geneeditingtechnologyhasbecomeaglobalhotspot,newtechnologiesandnewresearchresultsarespringingupandbeingappliedinthefieldsofplantandanimalbreeding,diseasetreatment,drugdevelopment,etc.Inthefuture,thistechnologywilldefinitelyshowitsrevolutionarysignificance,andhowtoregulate,detect,andcommercializetheapplicationwillbecomeanurgentproblemtobesolvedbytheregulatoryauthorities.

Keywords:Geneediting;Principle;Application;Regulation;Detection

本文引用格式

窦迎港,甄珍.基因编辑作物技术原理、商业化及检测研究进展.作物杂志,2023,39(2):16-23doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2023.02.003

DouYinggang,ZhenZhen.ProgressintheTechnicalPrinciple,CommercializationandTestingResearchofGeneEditedCrops.Crops,2023,39(2):16-23doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2023.02.003

基因编辑不同于转基因,它可实现基因的定向改造,即对特定的DNA片段进行添加和删除,及特定碱基的删除和替换等,从而达到对目的基因及产物的编辑,进而改变目标基因或调控元件的序列、结构或功能。

图1Cre-lox介导示意图

Fig.1Cre-loxmediatedschematic

图2ZFNs示意图

Fig.2SchematicdiagramofZFNs

图3TALEN的原理

Fig.3TheprincipleofTALEN

图4CRISPR/Cas9原理

Fig.4TheprincipleofCRISPR/Cas9

近年来,已有多种基于CRISPR/Cas9系统和CRISPR/Cas13系统的光调控工具被开发,并已广泛应用于生物工程、基础医学和疾病治疗等领域。但光控CRISPR技术目前仍存在许多问题尚未解决,包括光毒性、光漂白、脱靶率、未知的安全隐患、递送效率、免疫原性和伦理问题等。

未来会有越来越多的基因编辑作物商业化,进入我国市场。但目前对于不同基因编辑技术商业化的作物检测方法未见,检验标准更是缺失,所以对于检测方法的研究是急需解决的重大问题。

此外,CRISPR基因编辑可能会给类似鼠类肉瘤病毒癌基因(kirstenratsarcomaviraloncogene,KRAS)的致癌基因突变的细胞带来优势。脱靶效应也是不容忽视的重大问题,还有潜在的致癌问题。

基因编辑技术问世以来取得了突飞猛进的发展,新技术、新方法、新研究和新成果层出不穷,这场技术风暴仍未停止。在未来,该技术将不断被开发改良并应用到众多领域中去,甚至有可能超越转基因成为植物改良的主要工具,同时会有越来越多的植物商业化,走出实验室,走进餐桌。因此,应当加速推进基因编辑植物的检测方法和检测标准的研究与制定,建立一套完善、精准、灵敏、高通量的基因编辑产品检测方法体系,用于促进基因编辑产品的进出口,保护我国农产品的经济和社会效益不受损坏,生态效益不受侵害,为我国生物安全监管提供有力的技术支撑。

许丽,王玥,姚驰远.基因编辑技术发展态势分析与建议

JinekM,ChylinskiK,FonfaraI,etal.Aprogrammabledual-RNA-guidedDNAendonucleaseinadaptivebacterialimmunity

Clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats(CRISPR)/CRISPR-associated(Cas)systemsprovidebacteriaandarchaeawithadaptiveimmunityagainstvirusesandplasmidsbyusingCRISPRRNAs(crRNAs)toguidethesilencingofinvadingnucleicacids.Weshowherethatinasubsetofthesesystems,thematurecrRNAthatisbase-pairedtotrans-activatingcrRNA(tracrRNA)formsatwo-RNAstructurethatdirectstheCRISPR-associatedproteinCas9tointroducedouble-stranded(ds)breaksintargetDNA.AtsitescomplementarytothecrRNA-guidesequence,theCas9HNHnucleasedomaincleavesthecomplementarystrand,whereastheCas9RuvC-likedomaincleavesthenoncomplementarystrand.Thedual-tracrRNA:crRNA,whenengineeredasasingleRNAchimera,alsodirectssequence-specificCas9dsDNAcleavage.Ourstudyrevealsafamilyofendonucleasesthatusedual-RNAsforsite-specificDNAcleavageandhighlightsthepotentialtoexploitthesystemforRNA-programmablegenomeediting.

CongL,RanFA,CoxD,etal.MultiplexgenomeengineeringusingCRISPR/Cassystems

Functionalelucidationofcausalgeneticvariantsandelementsrequiresprecisegenomeeditingtechnologies.ThetypeIIprokaryoticCRISPR(clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats)/CasadaptiveimmunesystemhasbeenshowntofacilitateRNA-guidedsite-specificDNAcleavage.WeengineeredtwodifferenttypeIICRISPR/CassystemsanddemonstratethatCas9nucleasescanbedirectedbyshortRNAstoinduceprecisecleavageatendogenousgenomiclociinhumanandmousecells.Cas9canalsobeconvertedintoanickingenzymetofacilitatehomology-directedrepairwithminimalmutagenicactivity.Lastly,multipleguidesequencescanbeencodedintoasingleCRISPRarraytoenablesimultaneouseditingofseveralsiteswithinthemammaliangenome,demonstratingeasyprogrammabilityandwideapplicabilityoftheRNA-guidednucleasetechnology.

陈一欧,宝颖,马华峥,等.基因编辑技术及其在中国的研究发展

王贵利,张连峰.基因工程大鼠研究进展

丁霖,彭城,殷海军,等.基因组编辑技术及其检测鉴定方法研究进展

WangZ,CuiWG.CRISPR-Cassystemforbiomedicaldiagnosticplatforms

LingXY,ChangLY,ChenHQ,etal.ImprovingtheefficiencyofCRISPR-Cas12a-basedgenomeeditingwithsite-specificcovalentCas12a-crRNAconjugates

希区客.超越CRISPR的新型基因编辑技术RLR

XuX,ChemparathyA,ZengL,etal.EngineeredminiatureCRISPR-Cassystemformammaliangenomeregulationandediting

刘红,江敬红,段志娟,等.光控CRISPR技术的研究进展

CarrollD.GenomeEditing:past,present,andfuture

TheCRISPR-Casgenomeeditingtoolshavebeenadoptedrapidlyintheresearchcommunity,andtheyarequicklyfindingapplicationsinthecommercialsectoraswell.Lestwelosetrackofthebroadercontext,thisPerspectivepresentsabriefreviewofthehistoryofthegenomeeditingplatformsandconsidersafewcurrenttechnologicalissues.Itthentakesaverylimitedviewintothefutureofthistechnologyandhighlightssomeofthesocietalissuesthatrequireexaminationanddiscussion.

PanY,YangJ,LuanX,etal.Near-infraredupconversion-activatedCRISPR-Cas9system:aremote-controlledgeneeditingplatform

Remote-controlledmanipulationofgeneeditingwasachievedinvivo.

Moroz-OmoriEV,SatyapertiwiD,RamelMC,etal.PhotoswitchablegRNAsforspatiotemporallycontrolledcrisprcas-basedgenomicregulation

ZhangY,LingX,SuX,etal.OpticalcontrolofaCRISPR/Cas9systemforgeneeditingbyusingphotolabilecrRNA

AksoyYA,YangB,ChenW,etal.SpatialandtemporalcontrolofCRISPR-Cas9-mediatedgeneeditingdeliveredviaaLight-Triggeredliposomesystem

NihongakiY,KawanoF,NakajimaT,etal.PhotoactivatableCRISPR-Cas9foroptogeneticgenomeediting

WedescribeanengineeredphotoactivatableCas9(paCas9)thatenablesoptogeneticcontrolofCRISPR-Cas9genomeeditinginhumancells.paCas9consistsofsplitCas9fragmentsandphotoinducibledimerizationdomainsnamedMagnets.Inresponsetobluelightirradiation,paCas9expressedinhumanembryonickidney293Tcellsinducestargetedgenomesequencemodificationsthroughbothnonhomologousendjoiningandhomology-directedrepairpathways.Genomeeditingactivitycanbeswitchedoffsimplybyextinguishingthelight.WealsodemonstrateactivationofpaCas9inspatialpatternsdeterminedbythesitesofirradiation.Optogeneticcontroloftargetedgenomeeditingshouldfacilitateimprovedunderstandingofcomplexgenenetworksandcouldproveusefulinbiomedicalapplications.

YuY,WuX,GuanN,etal.Engineeringafar-redlight-activatedsplit-Cas9systemforremote-controlledgenomeeditingofinternalorgansandtumors

HemphillJ,BorchardtEK,BrownK,etal.OpticalcontrolofCRISPR/Cas9geneediting

TheCRISPR/Cas9systemhasemergedasanimportanttoolinbiomedicalresearchforawiderangeofapplications,withsignificantpotentialforgenomeengineeringandgenetherapy.InordertoachieveconditionalcontroloftheCRISPR/Cas9system,ageneticallyencodedlight-activatedCas9wasengineeredthroughthesite-specificinstallationofacagedlysineaminoacid.SeveralpotentiallysineresidueswereidentifiedasviablecagingsitesthatcanbemodifiedtoopticallycontrolCas9function,asdemonstratedthroughopticalactivationanddeactivationofbothexogenousandendogenousgenefunction.

LiuY,ZouRS,HeS,etal.VeryfastCRISPRondamond

\nNumerouseffortshavebeenmadetoimprovethetemporalresolutionofCRISPR-Cas9–mediatedDNAcleavagetothehourtimescale.Liu\netal.\ndevelopedaCas9systemthatachievedgenome-editingmanipulationatthesecondtimescale(seethePerspectivebyMedhiandJasin).PartoftheguideRNAischemicallycaged,allowingtheCas9-guideRNAcomplextobindataspecificgenomiclocuswithoutcleavageuntilactivationbylight.ThisfastCRISPRsystemachievesgenomeeditingathightemporalresolution,enablingthestudyofearlymoleculareventsofDNArepairprocesses.Thissystemalsohashighspatialresolutionatshorttimescales,allowingeditingofonegenomicallelewhileleavingtheotherunperturbed.\n

ZhouW,BrownW,BardhanA,etal.SpatiotemporalcontrolofCRISPR/Cas9functionincellsandzebrafishusinglight-activatedguideRNA

BryanCR,ColinKK,PatrickM,etal.Thehiddenlandusecostofupscalingcovercrops

GuptaD,BhattacharjeeO,MandalD,etal.CRISPR-Cas9system:Anew-fangleddawningeneediting

ScottMP,CindyAH,BrianCS,etal.Anoncanonicalhippopathwayregulatesspindledisassemblyandcytokinesisduringmeiosisinsaccharomycescerevisiae

KentAR,AustinEG,EmilyAW,etal.Dynamictemperature-sensitiveA-to-IRNAeditinginthebrainofaheterothermicmammalduringhibernation

许丽,王玥,姚驰远,等.基因编辑技术发展态势分析与建议

任俊,曹跃炫,黄勇,等.基因编辑技术及其水稻中的发展和应用

孙立方,徐建国,柯甫志.基因编辑技术在柑橘中的应用研究进展

王娟,王柏,柯李宁,等.基因编辑技术在番茄育种中的应用进展

张爱萍,刘江娜,闫建俊,等.番茄基因编辑研究进展和前景

介绍了基因编辑技术的发展和现状,并对该技术在番茄耐贮性和成熟调控、营养成分和果色、雄性不育和单性结实、逆境响应、株形、花形及野生种重新驯化等方面的研究进展进行了概述,梳理了基于CRISPR/Cas技术的单碱基编辑、DNA-free编辑及提高同源重组效率的技术创新及在番茄遗传改良和品种培育方面的应用前景和面临的挑战。

杨梦冰,江易林,祝蕾,等.CRISPR/Cas植物基因组编辑技术及其在玉米中的应用

朱丽珍,王芳,王娅丽,等.基因编辑技术及CRISPR/Cas系统在草地植物开发中的应用

郞雅琴,翟晓巧.CRISPR/Cas9系统在木本植物中的应用现状

于红,刘欣,李琪.基因编辑技术在贝类中的应用进展与展望

孙佳彤,国艳娇,李爽,等.基于CRISPR/Cas9的毛果杨bHLH106转录因子的功能研究

乔幸,安然,陈娜娜,等.利用CRISPR/Cas9技术创制早熟甘蓝型油菜材料

王志,潘启华,陆可,等.青鳉抗病毒感染过程的负调控因子jun的鉴定

陶彬彬,胡炜.鱼类性别控制育种研究进展

史玉洁,李芳,王昕.CRISPR技术应用于山羊和绵羊育种的研究进展

房元杰,张晓爱,魏文康,等.CRISPR-Cas9技术原理及其在猪的应用研究新进展

高嫦娥.PD-1基因敲除T细胞治疗结直肠癌的有效性及其体内安全性评价的临床研究

DuanJL,BaoCJ,XieY,etal.Targetedcore-shellnanoparticlesforpreciseCTCFgeneinsertintreatmentofmetastaticbreastcancer

高欣,柳羽哲,江泽沅,等.合成生物学构建微生物工程菌研究进展

乔怡,张庆林,陈单丹,等.CRISPR/Cas9基因编辑系统在获取放线菌天然产物中的应用

刘笑天,仇昊,田莉,等.CRISPR/Cas9基因编辑系统在食药用真菌中的研究进展

于淑颖,周梦兰,孙天舒,等.CRISPR/Cas9基因编辑技术在念珠菌中的应用研究进展

邓名,丁俊美.CRISPR/Cas9基因编辑技术在微生物细胞中的应用研究进展

程文焕,伏广好,陈晓妮,等.基因编辑技术在工业微生物育种中的应用进展

SinhaS,BarbosaK,ChengKY,etal.Asystematicgenome-widemappingofoncogenicmutationselectionduringCRISPR-Cas9genomeediting

WangS,LiH,KouZ,etal.HighlysensitiveandspecificdetectionofhepatitisBvirusDNAanddrugresistancemutationsutilizingthePCR-basedCRISPR-Cas13asystem

MoonJ,KwonHJ,YongD,etal.ColorimetricdetectionofSARS-CoV-2anddrug-resistantpH1N1usingCRISPR/dCas9

CunninghamCH,HennellyCM,LinJT,etal.AnovelCRISPR-basedmalariadiagnosticcapableofplasmodiumdetection,speciation,anddrug-resistancegenotyping

LeeRA,PuigHD,NguyenPQ,etal.UltrasensitiveCRISPR-baseddiagnosticforfield-applicabledetectionofplasmodiumspeciesinsymptomaticandasymptomaticmalaria

AbudayyehOO,GootenbergJS,KellnerMJ,etal.NucleicaciddetectionofplantgenesusingCRISPR-Cas13

Nucleicaciddetectionisvitalforagriculturalapplicationsincludingtraitdetectionduringbreeding,pestsurveillance,andpathogenidentification.Here,weuseamodifiedversionoftheCRISPR-basednucleicaciddetectionplatformSHERLOCKtoquantifylevelsofaglyphosateresistancegeneinamixtureofsoybeansandtodetectmultipleplantgenesinasinglereaction.SHERLOCKisrapid(similarto15min),quantitative,andportable,andcanprocesscrudesoybeanextractsasinputmaterialforminimalnucleicacidsamplepreparation.Thisfield-readySHERLOCKplatformwithcolor-basedlateralflowreadoutcanbeappliedfordetectionandquantitationofgenesinarangeofagriculturalapplications.

HuangD,QianJJ,ShiZW,etal.CRISPR-Cas12a-assistedmulticolorbiosensorforsemiquantitativepoint-of-usetestingofthenopalinesynthaseterminatoringeneticallymodifiedcropsbyunaidedeyes

谢宇宙,付伟,闫超杰,等.基于CRISPR/Cas原理的转基因产品检测技术研究进展

王紫怡,黄迪,徐颖华,等.CRISPR核酸检测技术的研究进展

王维佳,李萌鑫.基因编辑技术在农业育种中的应用

ZhangHW,LiJ,ZhaoSB,etal.Anediting-site-specificPCRmethodfordetectionandquantificationofCAO1-editedrice

ChhalliyilP,IlvesH,KazakovSA,etal.Real-timequantitativePCRmethodspecificfordetectionandquantificationofthefirstcommercializedgenome-editedplant

柴迎锦.cyaA基因对绵羊肺源肠外致病大肠杆菌XJ10毒力的影响研究

顾鸢.基因编辑技术育种产业的发展与机遇

袁珊,韩天富.拉美转基因监管政策

PengC,WangH,XuXL,etal.High-throughputdetectionandscreeningofplantsmodifiedbygeneeditingusingquantitativereal-timepolymerasechainreaction

王梦雨,王颢潜,王旭静,等.基因编辑产品检测技术研究进展

陈怡李,姚书忠.CRISPR/Cas9基因编辑技术的应用研究进展

雷婷,肖斌,何咏茵,等.CRISPR/Cas9文库筛选技术的发展及在肿瘤研究中的应用

THE END
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