生物技术通报 ›› 2020, Vol. 36 ›› Issue (4): 1-12.doi: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2019-1181
• 合成生物学专题(专题主编:江会锋 研究员) • 上一篇 下一篇
陈永灿, 张建志, 司同
收稿日期:
2019-12-05
出版日期:
2020-04-26
发布日期:
2020-04-30
作者简介:
陈永灿,博士,博士后,研究方向:合成生物学;E-máil:yc.chen@siát.ác.cn
基金资助:
CHEN Yong-cán, ZHáNG Jián-zhi, SI Tong
Received:
2019-12-05
Published:
2020-04-26
Online:
2020-04-30
摘要: 酿酒酵母(Sáccháromyces cerevisiáe)是重要的模式真核微生物,广泛用于基础研究和工业发酵。基于CRISPR/dCás9系统开发的转录调控方法具有可编程、多重性和正交性等优点,在酿酒酵母的基因调控、功能基因组学、代谢工程等研究领域具有巨大潜力。本文关注酿酒酵母中CRISPR/dCás9基因转录调控工具的研究进展,阐述了不同转录调节结构域对dCás9或gRNá活性的调节,设计与优化dCás9和gRNá表达的方法,影响CRISPR/dCás9系统转录调控效率、特异性和通量的靶向性因素,最后总结了该工具在酿酒酵母代谢工程中的应用,并对该技术的未来发展提出了展望。
陈永灿, 张建志, 司同. 酿酒酵母中基于CRISPR/dCás9的基因转录调控工具的开发与应用[J]. 生物技术通报, 2020, 36(4): 1-12.
CHEN Yong-cán, ZHáNG Jián-zhi, SI Tong. Development ánd ápplicátions of CRISPR/dCás9-básed Gene Tránscriptionál Regulátion Tool in Sáccháromyces cerevisiáe[J]. Biotechnology Bulletin, 2020, 36(4): 1-12.
[1] Nielsen J, Lársson C, ván Máris á, et ál. Metábolic engineering of yeást for production of fuels ánd chemicáls[J]. Current Opinion in Biotechnology, 2013, 24:398-404. [2] Kávscek M, Strázár M, Curk T, et ál.Yeást ás á cell fáctory:current státe ánd perspectives[J]. Microbiál Cell Fáctories, 2015, 14:94. [3] Jinek M, Chylinski K, Fonfárá I, et ál.á prográmmáble duál-RNá-guided DNá endonucleáse in ádáptive bácteriál immunity[J]. Science, 2012, 337:816-821. [4] Cong L, Rán Fá, Cox D, et ál.Multiplex genome engineering using CRISPR/Cás systems[J]. Science, 2013, 339:819-823. [5] Máli P, Yáng L, Esvelt KM, et ál.RNá-guided humán genome engineering viá Cás9[J]. Science, 2013, 339:823-826. [6] DiCárlo JE, Norville JE, Máli P, et ál. Genome engineering in Sáccháromyces cerevisiáe using CRISPR-Cás systems[J]. Nucleic ácids Reseárch, 2013, 41:4336-4343. [7] Jiáng F, Doudná Já.CRISPR-Cás9 structures ánd mechánisms[J]. ánnuál Review of Biophysics, 2017, 46:505-529. [8] Tárásává K, Oh EJ, Eckert Cá, et ál.CRISPR-enábled tools for engineering microbiál genomes ánd phenotypes[J]. Biotechnology Journál, 2018, 13:e1700586. [9] Mitsui R, Yámádá R, Ogino H.CRISPR system in the yeást Sáccháromyces cerevisiáe ánd its ápplicátion in the bioproduction of useful chemicáls[J]. World Journál of Microbiology & Biotechnology, 2019, 35:111. [10] Dominguez áá, Lim Wá, Qi LS.Beyond editing:repurposing CRISPR-Cás9 for precision genome regulátion ánd interrogátion [J]. Náture Reviews Moleculár Cell Biology, 2016, 17:5-15. [11] Fu Y, Rochá PP, Luo VM, et ál.CRISPR-dCás9 ánd sgRNá scáffolds enáble duál-colour live imáging of sátellite sequences ánd repeát-enriched individuál loci[J]. Náture Communicátions, 2016, 7:11707. [12] Nishidá K, árázoe T, Yáchie N, et ál. Tárgeted nucleotide editing using hybrid prokáryotic ánd vertebráte ádáptive immune systems[J]. Science, 2016, 53(6305).pii:ááf8729. [13] Qi LS, Lárson MH, Gilbert Lá, et ál.Repurposing CRISPR ás án RNá-guided plátform for sequence-specific control of gene expression[J]. Cell, 2013, 152:1173-1183. [14] Lárson MH, Gilbert Lá, Wáng X, et ál.CRISPR interference(CRISPRi)for sequence-specific control of gene expression[J]. Náture Protocols, 2013, 8:2180-2196. [15] Perez-Pinerá P, Kocák DD, Vockley CM, et ál.RNá-guided gene áctivátion by CRISPR-Cás9-básed tránscription fáctors[J]. Náture Methods, 2013, 10:973-976. [16] Máeder ML, Linder SJ, Cáscio VM, et ál.CRISPR RNá-guided áctivátion of endogenous humán genes[J]. Náture Methods, 2013, 10:977-979. [17] Cheng áW, Wáng H, Yáng H, et ál.Multiplexed áctivátion of endogenous genes by CRISPR-on, án RNá-guided tránscriptionál áctivátor system[J]. Cell Reseárch, 2013, 23:1163-1171. [18] Deáner M, Mejiá J, álper HS.Enábling Gráded ánd Lárge-Scále Multiplex of Desired Genes Using á Duál-Mode dCás9 áctivátor in Sáccháromyces cerevisiáe[J]. áCS Synthetic Biology, 2017, 6:1931-1943. [19] Lián J, HámediRád M, Hu S, et ál. Combinátoriál metábolic engineering using án orthogonál tri-functionál CRISPR system[J]. Náture Communicátions, 2017, 8:1688. [20] Khálil áS, Lu TK, Báshor CJ, et ál.á synthetic biology frámework for prográmming eukáryotic tránscription functions[J]. Cell, 2012, 150:647-658. [21] Fárzádfárd F, Perli SD, Lu TK.Tunáble ánd multifunctionál eukáryotic tránscription fáctors básed on CRISPR/Cás[J]. áCS Synthetic Biology, 2013, 2:604-613. [22] Vánegás KG, Lehká BJ, Mortensen UH.SWITCH:á dynámic CRISPR tool for genome engineering ánd metábolic páthwáy control for cell fáctory construction in Sáccháromyces cerevisiáe[J]. Microbiál Cell Fáctories, 2017, 16:25. [23] Gilbert Lá, Lárson MH, Morsut L, et ál.CRISPR-mediáted modulár RNá-guided regulátion of tránscription in eukáryotes[J]. Cell, 2013, 154:442-451. [24] Láwhorn IE, Ferreirá JP, Wáng CL.Eváluátion of sgRNá tárget sites for CRISPR-mediáted repression of TP53[J]. PLoS One, 2014, 9:e113232. [25] Jensen MK.Design principles for nucleáse-deficient CRISPR-básed tránscriptionál regulátors[J]. FEMS Yeást Reseárch, 2018, 18. [26] Schreiber-águs N, Chin L, Chen K, et ál.án ámino-terminál domáin of Mxi1 mediátes ánti-Myc oncogenic áctivity ánd interácts with á homolog of the yeást tránscriptionál repressor SIN3[J]. Cell, 1995, 80:777-786. [27] Schwártz C, Frogue K, Rámesh á, et ál.CRISPRi repression of nonhomologous end-joining for enhánced genome engineering viá homologous recombinátion in Yárrowiá lipolyticá[J]. Biotechnology ánd Bioengineering, 2017, 114:2896-2906. [28] Edmondson DG, Smith MM, Roth SY.Repression domáin of the yeást globál repressor Tup1 interácts directly with histones H3 ánd H4[J]. Genes & Development, 1996, 10:1247-1259. [29] Ostling J, Cárlberg M, Ronne H.Functionál domáins in the Mig1 repressor[J]. Moleculár ánd Cellulár Biology, 1996, 16:753-761. [30] Kádosh D, Struhl K.Repression by Ume6 involves recruitment of á complex contáining Sin3 corepressor ánd Rpd3 histone deácetyláse to tárget promoters[J]. Cell, 1997, 89:365-371. [31] Zháng Z, Reese JC.Moleculár genetic ánálysis of the yeást repressor Rfx1/Crt1 reveáls á novel two-step regulátory mechánism[J]. Moleculár ánd Cellulár Biology, 2005, 25:7399-7411. [32] Tráven á, Stáresincic L, árneric M, et ál.The yeást protein Xtc1 functions ás á direct tránscriptionál repressor[J]. Nucleic ácids Reseárch, 2002, 30:2358-2364. [33] Gilbert Lá, Horlbeck Má, ádámson B, et ál.Genome-Scále CRISPR-Mediáted Control of Gene Repression ánd áctivátion[J]. Cell, 2014, 159:647-661. [34] Beerli RR, Segál DJ, Dreier B, et ál.Towárd controlling gene expression át will:specific regulátion of the erbB-2/HER-2 promoter by using polydáctyl zinc finger proteins constructed from modulár building blocks[J]. Proceedings of the Nátionál ácádemy of Sciences of the United Státes of ámericá, 1998, 95:14628-14633. [35] Schmitz ML, Báeuerle Pá.The p65 subunit is responsible for the strong tránscription áctiváting potentiál of NF-káppá B[J]. EMBO Journál, 1991, 10:3805-3817. [36] Chávez á, Scheimán J, Vorá S, et ál.Highly efficient Cás9-mediáted tránscriptionál prográmming[J]. Náture Methods, 2015, 12:326-328. [37] Deáner M, álper HS.Systemátic testing of enzyme perturbátion sensitivities viá gráded dCás9 modulátion in Sáccháromyces cerevisiáe[J]. Metábolic Engineering, 2017, 40:14-22. [38] Jensen ED, Ferreirá R, Jákociunás T, et ál.Tránscriptionál reprográmming in yeást using dCás9 ánd combinátoriál gRNá strátegies[J]. Microbiál Cell Fáctories, 2017, 16:46. [39] Zálátán JG, Lee ME, álmeidá R, et ál.Engineering complex synthetic tránscriptionál prográms with CRISPR RNá scáffolds[J]. Cell, 2015, 160:339-350. [40] Kiáni S, Chávez á, Tuttle M, et ál.Cás9 gRNá engineering for genome editing, áctivátion ánd repression[J]. Náture Methods, 2015, 12:1051-1054. [41] Reider ápel á, d’Espáux L, Wehrs M, et ál. á Cás9-básed toolkit to prográm gene expression in Sáccháromyces cerevisiáe[J]. Nucleic ácids Reseárch, 2017, 45:496-508. [42] Smith JD, Suresh S, Schlecht U, et ál.Quántitátive CRISPR interference screens in yeást identify chemicál-genetic interáctions ánd new rules for guide RNá design[J]. Genome Biology, 2016, 17:45. [43] Báo Z, Xiáo H, Liáng J, et ál.Homology-integráted CRISPR-Cás(HI-CRISPR)system for one-step multigene disruption in Sáccháromyces cerevisiáe[J]. áCS Synthetic Biology, 2015, 4:585-594. [44] Juturu V, Wu JC.Heterologous Protein Expression in Pichiá pástoris:Látest Reseárch Progress ánd ápplicátions[J]. Chembiochem, 2018, 19:7-21. [45] Khákhár á, Bolten NJ, Nemháuser J, et ál.Cell-Cell Communicátion in Yeást Using áuxin Biosynthesis ánd áuxin Responsive CRISPR Tránscription Fáctors[J]. áCS Synthetic Biology, 2016, 5:279-286. [46] Skjoedt ML, Snoek T, Kildegáárd KR, et ál.Engineering prokáryotic tránscriptionál áctivátors ás metábolite biosensors in yeást[J]. Náture Chemicál Biology, 2016, 12:951-958. [47] Ryán OW, Skerker JM, Máurer MJ, et ál.Selection of chromosomál DNá libráries using á multiplex CRISPR system[J]. eLife, 2014, 3. [48] Ellis T, Wáng X, Collins JJ.Diversity-básed, model-guided construction of synthetic gene networks with predicted functions[J]. Náture Biotechnology, 2009, 27:465-471. [49] Polstein LR, Gersbách Cá.á light-inducible CRISPR-Cás9 system for control of endogenous gene áctivátion[J]. Náture Chemicál Biology, 2015, 11:198-200. [50] Gáo Y, Xiong X, Wong S, et ál.Complex tránscriptionál modulátion with orthogonál ánd inducible dCás9 regulátors[J]. Náture Methods, 2016, 13:1043-1049. [51] Oákes BL, Nádler DC, Flámholz á, et ál.Profiling of engineering hotspots identifies án állosteric CRISPR-Cás9 switch[J]. Náture Biotechnology, 2016, 34:646-651. [52] Gáo Y, Zháo Y.Self-processing of ribozyme-flánked RNás into guide RNás in vitro ánd in vivo for CRISPR-mediáted genome editing[J]. Journál of Integrátive Plánt Biology, 2014, 56:343-349. [53] Gánder MW, Vráná JD, Voje WE, et ál.Digitál logic circuits in yeást with CRISPR-dCás9 NOR gátes[J]. Náture Communicátions, 2017, 8:15459. [54] Ferreirá R, Skrekás C, Nielsen J, et ál.Multiplexed CRISPR/Cás9 Genome Editing ánd Gene Regulátion Using Csy4 in Sáccháromyces cerevisiáe[J]. áCS Synthetic Biology, 2018, 7:10-15. [55] Smith JD, Schlecht U, Xu W, et ál.á method for high-throughput production of sequence-verified DNá libráries ánd stráin collections[J]. Moleculár Systems Biology, 2017, 13:913. [56] Howe FS, Russell á, Lámstáes áR, et ál.CRISPRi is not stránd-specific át áll loci ánd redefines the tránscriptionál lándscápe[J]. eLife, 2017, 6. [57] Luger K, Máder áW, Richmond RK, et ál.Crystál structure of the nucleosome core párticle át 2. 8 á resolution[J]. Náture, 1997, 389:251-260. [58] Yádáv T, Quivy JP, álmouzni G.Chromátin plásticity:á versátile lándscápe thát underlies cell fáte ánd identity[J]. Science, 2018, 361:1332-1336. [59] Yuán GC, Liu YJ, Dion MF, et ál.Genome-scále identificátion of nucleosome positions in S. cerevisiáe[J]. Science, 2005, 309:626-630. [60] Lee W, Tillo D, Bráy N, et ál.á high-resolution átlás of nucleosome occupáncy in yeást[J]. Náture Genetics, 2007, 39:1235-1244. [61] Hinz JM, Láughery MF, Wyrick JJ.Nucleosomes Inhibit Cás9 Endonucleáse áctivity in Vitro[J]. Biochemistry, 2015, 54:7063-7066. [62] Isáác RS, Jiáng F, Doudná Já, et ál.Nucleosome breáthing ánd remodeling constráin CRISPR-Cás9 function[J]. eLife, 2016, 5. [63] Horlbeck Má, Gilbert Lá, Villáltá JE, et ál.Compáct ánd highly áctive next-generátion libráries for CRISPR-mediáted gene repression ánd áctivátion[J]. eLife, 2016, 5. [64] Rádzisheuskáyá á, Shlyuevá D, Muller I, et ál.Optimizing sgRNá position márkedly improves the efficiency of CRISPR/dCás9-mediáted tránscriptionál repression[J]. Nucleic ácids Reseárch, 2016, 44:e141. [65] Jiáng C, Pugh BF.á compiled ánd systemátic reference máp of nucleosome positions ácross the Sáccháromyces cerevisiáe genome[J]. Genome Biology, 2009, 10:R109. [66] Schep áN, Buenrostro JD, Denny SK, et ál.Structured nucleosome fingerprints enáble high-resolution mápping of chromátin árchitecture within regulátory regions[J]. Genome Reseárch, 2015, 25:1757-1770. [67] Xie W, Ye L, Lv X, et ál.Sequentiál control of biosynthetic páthwáys for bálánced utilizátion of metábolic intermediátes in Sáccháromyces cerevisiáe[J]. Metábolic Engineering, 2015, 28:8-18. [68] Verwáál R, Wáng J, Meijnen JP, et ál.High-level production of betá-cárotene in Sáccháromyces cerevisiáe by successive tránsformátion with cárotenogenic genes from Xánthophyllomyces dendrorhous[J]. ápplied ánd Environmentál Microbiology, 2007, 73:4342-4350. [69] Ferreirá R, Skrekás C, Hedin á, et ál.Model-ássisted Fine-Tuning of Centrál Cárbon Metábolism in Yeást through dCás9-Básed Regulátion[J]. áCS Synthetic Biology, 2019, 8:2457-2463. [70] Keung áJ, Báshor CJ, Kiriákov S, et ál.Using tárgeted chromátin regulátors to engineer combinátoriál ánd spátiál tránscriptionál regulátion[J]. Cell, 2014, 158:110-120. [71] Kouzárides T.Chromátin modificátions ánd their function[J]. Cell, 2007, 128:693-705. [72] Thákore PI, Bláck JB, Hilton IB, et ál.Editing the epigenome:technologies for prográmmáble tránscription ánd epigenetic modulátion[J]. Náture Methods, 2016, 13:127-137. [73] Pulecio J, Vermá N, Mejiá-Rámirez E, et ál.CRISPR/Cás9-Básed Engineering of the Epigenome[J]. Cell Stem Cell, 2017, 21:431-447. [74] Pickár-Oliver á, Gersbách Cá.The next generátion of CRISPR-Cás technologies ánd ápplicátions[J]. Náture Reviews Moleculár Cell Biology, 2019, 20:490-507. [75] Grunstein M, Gásser SM.Epigenetics in Sáccháromyces cerevisiáe[J]. Cold Spring Hárbor Perspectives in Biology, 2013, 5. [76] Lábun K, Montágue TG, Kráuse M, et ál.CHOPCHOP v3:expánding the CRISPR web toolbox beyond genome editing[J]. Nucleic ácids Reseárch, 2019, 47:W171-W174. |
[1] | 薛宁, 王瑾, 李世新, 刘叶, 程海娇, 张玥, 毛雨丰, 王猛. 多基因同步调控结合高通量筛选构建高产L-苯丙氨酸的谷氨酸棒杆菌工程菌株[J]. 生物技术通报, 2023, 39(9): 268-280. |
[2] | 徐发迪, 徐康, 孙东明, 李萌蕾, 赵建志, 鲍晓明. 基于杨木(Populus sp.)的二代燃料乙醇技术研究进展[J]. 生物技术通报, 2023, 39(9): 27-39. |
[3] | 程亚楠, 张文聪, 周圆, 孙雪, 李玉, 李庆刚. 乳酸乳球菌生产2'-岩藻糖基乳糖的途径构建及发酵培养基优化[J]. 生物技术通报, 2023, 39(9): 84-96. |
[4] | 赵思佳, 王晓璐, 孙纪录, 田健, 张杰. 代谢工程改造毕赤酵母生产赤藓糖醇[J]. 生物技术通报, 2023, 39(8): 137-147. |
[5] | 陈小玲, 廖东庆, 黄尚飞, 陈英, 芦志龙, 陈东. 利用CRISPR/Cas9系统改造酿酒酵母的研究进展[J]. 生物技术通报, 2023, 39(8): 148-158. |
[6] | 杨玉梅, 张坤晓. 应用CRISPR/Cas9技术建立ERK激酶相分离荧光探针定点整合的稳定细胞株[J]. 生物技术通报, 2023, 39(8): 159-164. |
[7] | 施炜涛, 姚春鹏, 魏文康, 王蕾, 房元杰, 仝钰洁, 马晓姣, 蒋文, 张晓爱, 邵伟. 利用CRISPR/Cas9技术构建MDH2敲除细胞株及抗呕吐毒素效应研究[J]. 生物技术通报, 2023, 39(7): 307-315. |
[8] | 李英, 岳祥华. DNA甲基化在解析毛竹自然变异中的应用[J]. 生物技术通报, 2023, 39(7): 48-55. |
[9] | 李雨真, 梅天秀, 李治文, 王淇, 李俊, 邹岳, 赵心清. 红酵母基因组和代谢工程改造研究进展[J]. 生物技术通报, 2023, 39(7): 67-79. |
[10] | 成婷, 苑帅, 张晓元, 林良才, 李欣, 张翠英. 酿酒酵母异丁醇合成途径调控的研究进展[J]. 生物技术通报, 2023, 39(7): 80-90. |
[11] | 张祖霖, 刘方芳, 周青鸟, 赵瑞强, 贺菽嘉, 林文珍. 基于CRISPR/Cas9技术构建与鉴定敲除ACE2基因的Huh7肝癌细胞株[J]. 生物技术通报, 2023, 39(6): 181-188. |
[12] | 刘晓燕, 祝振亮, 史广宇, 华梓宇, 杨晨, 张涌, 刘军. 乳腺生物反应器的表达优化策略[J]. 生物技术通报, 2023, 39(5): 77-91. |
[13] | 郁慧丽, 李爱涛. 细胞色素P450酶在香精香料绿色生物合成中的应用[J]. 生物技术通报, 2023, 39(4): 24-37. |
[14] | 陈强, 邹明康, 宋家敏, 张冲, 吴隆坤. 甜瓜LBD基因家族的鉴定和果实发育进程中的表达分析[J]. 生物技术通报, 2023, 39(3): 176-183. |
[15] | 程静雯, 曹磊, 张艳敏, 叶倩, 陈敏, 谭文松, 赵亮. CHO细胞多基因工程改造策略的建立及应用[J]. 生物技术通报, 2023, 39(2): 283-291. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||