基于小分子化学反应工具构建CRISPR-Cas9功能调控体系的研究进展

doi:10.7503/cjcu20220346

摘要/Abstract

摘要：

CRISPR技术是目前基因编辑领域的一大研究热点, 已在疾病治疗、作物改良等领域得到广泛的应用, CRISPR-Cas9系统是其中研究最为深入的一种类型. 如何降低Cas9/sgRNA复合物在细胞内作用的脱靶性是CRISPR-Cas9技术发展面临的主要挑战之一. 利用光或活性小分子诱发的小分子化学反应工具构建CRISPR-Cas9功能调控体系, 通过对sgRNA, Cas9或Cas9/sgRNA复合物的功能进行调控, 可以在细胞乃至活体水平上一定程度实现对CRISPR-Cas9作用的时间或空间特异性的操纵, 大大降低非特异性基因编辑作用发生的概率, 同时小分子对原体系的干扰较小, 因此小分子化学反应逐渐成为操纵CRISPR-Cas9体系的一种重要的研究工具. 本文总结和介绍了小分子反应工具用于CRISPR-Cas9功能调控系统构建的主要研究进展, 并对其未来的发展进行了展望.

关键词: 基因编辑, CRISPR-Cas9, 脱靶作用, 小分子化学反应, 功能调控体系

Abstract:

CRISPR is one of the major research focus of gene editing at present， and has been widely used in research areas like disease treatment and crop improvement. Among these CRIPSR systems， CRISPR-Cas9 system is the most deeply studied one. How to reduce the off-target effect in mammalian cells is one of the major challenges of CRISPR-Cas9. The functional regulation system of CRISPR-Cas9 can be constructed by using light or active molecule induced small molecule reaction tools. By controlling the function of sgRNA， Cas9 or Cas9/sgRNA complex， spatial-temporal regulation of the gene editing function of CRISPR-Cas9 can be achieved， and the probability of non-specific action can be greatly reduced. At the same time， small molecules have little interference with the original system， thus small molecule reactions have becoming more and more important tools for the CRISPR-Cas9 regulation systems. In this review， we summarize the main research progress of CRISPR-Cas9 functional regulation system based on small molecule reaction tools， and prospected the future development of this field.

Key words: Gene editing, CRISPR-Cas9, Off-target effect, Small molecule reaction, Functional regulation system

中图分类号:

O652

TrendMD:

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图/表 6

Fig.1 Schematic diagram of CRISPR⁃Cas9DSB： double strands break.

Fig.2 Schematic diagram of sgRNA regulation systems（A） Schematic illustration of sgRNA functional activation induced by light or small molecules；（B） schematic illustration of photo-induced sgRNA inactivation system；（C） schematic illustration of the sgRNA regulation system in small molecules induced gene editing inactivation through host-guest recognition.

Fig.3 Schematic diagram of nucleoside monomers modified by different chemical groups in the sgRNA functional regulation systems based on chemical reactionsThe red labeled groups are photo-cleavable groups， the blue labeled groups can be induced to break bonds by small molecules， and the green labeled groups can participate in the host-guest recognition.

Fig.4 Schematic diagram of Cas9 or Cas9/sgRNA regulation systems（A） Schematic illustration of photo-induced Cas9 protein activation system；（B） schematic illustration of light- or active substance-induced Cas9/sgRNA release systems；（C） schematic illustration of CRISPR optimization systems based on bioorthogonal reactions.

Fig.5 Schematic diagram of the light⁃controlled Cas9/sgRNA release strategyThe UCNPs can convert NIR light（980 nm） into local ultraviolet light for the cleavage of photo-sensitive molecules， thereby resulting in on-demand release of CRISPR-Cas9 .

Fig.6 Schematic diagram of the active substance⁃induced Cas9/sgRNA release strategies（A） The photolabile semiconducting polymer nanotransducer（pSPN） comprises a 1O2-generating backbone grafted with polyethylenimine brushes through 1O2-cleavable linkers. NIR photoirradiation spontaneously triggers the cleavage of gene vectors from pSPN， resulting in the release of CRISPR/Cas9 plasmids and subsequently initiating gene editing；（B） gold nanorods are modified with azobenzene-4，4′- dicarboxylic acid（p-AZO） to achieve on-demand release of CRISPR-Cas9 using hypoxia-responsive azo bonds.

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