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科研進展

ACS Synthetic Biology | 開發人體腸道擬桿菌的基因組編輯新工具

  

  北京時間2022年1月6日,中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所、深圳合成生物學創新研究院戴磊課題組在ACS Synthetic Biology上發表了針對人體腸道厭氧菌擬桿菌屬基因編輯最新研究成果,題為《CRISPR/Cas-based genome editing for human gut commensal Bacteroides species》。該團隊構建了針對腸道擬桿菌屬細菌的CRISPR/Cas-based基因編輯方法。該方法突破了傳統方法在編輯效率、基因簇刪除和多基因編輯方面的瓶頸,為進一步理解腸道微生物組以及擬桿菌活菌藥物的開發奠定了技術基礎,具有編輯效率高、可進行流程化操作和無篩選標記基因編輯的特點。 

  團隊成員鄭靈剛和譚揚為共同第一作者,該工作得到了國家重點研發計劃合成生物學重點專項青年科學家項目與深圳合成生物學創新研究院的資助。 

 

論文上線截圖

文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssynbio.1c00543

  腸道擬桿菌屬是腸道中豐度最高的細菌之一(如圖1所示),被視為研究腸道微生物組的“窗口”。 

 

1:腸道組織樣本中含熒光蛋白的不同擬桿菌成像(Whitaker et al, Cell 2017) 

  擬桿菌屬與多種疾病相關,比如肥胖,炎癥性腸病和結直腸癌等,其中多形擬桿菌和脆弱擬桿菌最為受到關注。基因組編輯工具對于研究腸道共生微生物的功能至關重要。因此,該團隊設計了針對人體腸道擬桿菌的多功能、高效的 CRISPR/Cas 編輯工具(如圖2所示)。 

 

2:擬桿菌的CRISPR/Cas編輯工具 

  該團隊在擬桿菌屬中測試了不同的CRISPR/Cas系統。主要評估了啟動子,Cas蛋白(SpCas9,SpRY,和FnCas12a),gRNA等元件,以及不同質粒的系統對于擬桿菌屬基因編輯的影響。并發現在多形擬桿菌中采用正常組成型啟動子表達Cas蛋白,CRISPR/Cas系統無法實現編輯,但是使用誘導型啟動子表達Cas蛋白,均可以實現基因編輯;其中FnCas12a效果最好?;诖?,團隊測試該系統在多形擬桿菌中可以實現5kb、10kb、48kb基因簇片段的刪除和外源基因GFP的高效插入。此外,也可通過在無篩選標記的培養基中傳代,進行含有篩選標記的質粒的丟失,實現獲得“無篩選標記(markerless)”的突變株(如圖3所示)。 

 

3:對多形擬桿菌的基因組進行靶向刪除和插入 

  除此之外,該系統也可以在卵形擬桿菌(Bo),脆弱擬桿菌(Bf),普通擬桿菌(Bv),和單形擬桿菌(Bu)實現高效率的基因刪除。(如圖4所示) 

 

4:對不同擬桿菌物種的基因組進行編輯

  與之前針對擬桿菌屬基因基因遺傳操作工具相比,該團隊基于CRISPR/Cas系統的工具極大的提高了擬桿菌屬基因編輯的效率,同時也更容易實現無篩選標記突變株的獲得。高效、精準的基因組編輯方法對于解析腸道微生物組的功能、開發工程腸道益生菌都是不可或缺的工具。 

  PI與課題組簡介: 

 

  戴磊博士,研究員,中科院深圳先進技術研究院合成生物學研究所,合成微生物組學研究中心主任。國家重點研發計劃青年項目負責人,入選《麻省理工科技評論》中國區“35歲以下科技創新35人”。 

  戴磊課題組的主要研究方向為宿主共生微生物組的生態和進化。運用定量生物學、合成生物學的工具,對微生物組的結構和功能進行精準解析和調控,致力于解決人體健康、農業生產等重大問題。 

  擬招聘具有微生物學、合成生物學、生物信息學等相關研究背景博士后1-2名,客座學生1-2名。有意申請者請將個人簡歷以郵件方式發送至 lei.dai@siat.ac.cn。 

  實驗室主頁 

  http://www.leidailab.cn/ 

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