CN103805606B - 一对特异识别绵羊DKK1基因的sgRNA及其编码DNA和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一对特异识别绵羊DKK1基因的sgRNA及其编码DNA和应用，该sgRNA对由sgRNA-F和sgRNA-R组成，sgRNA-F和sgRNA-R分别由101个核苷酸组成，其中5’末端20nt的RNA片段能识别绵羊染色体上DKK1基因，其余81nt的RNA片段为能与Cas9n核酸酶结合的骨架RNA片段；所述的sgRNA-F如序列表的序列2所示，所述的sgRNA-R如序列表的序列4所示。本发明通过Cas9系统在细胞或个体水平上对绵羊DKK1基因进行敲除或修饰，以解析绵羊DKK1基因的功能、构建绵羊DKK1基因突变库，为绵羊育种服务。
Description
技术领域
本发明属于基因工程技术领域，具体而言，涉及一对特异识别绵羊DKK1基因的sgRNA及其编码DNA和应用。
背景技术
DKK基因家族是WNT信号通路的抑制因子，而WNT信号转导调控毛囊的生长发育。DKK1是DKK基因家族的重要成员。Foxn1：DKK1中度过表达小鼠，单位面积的毛囊数量下降了30％，毛囊呈束状排布(Wntanddkkdeterminehairfolliclespacingthroughareaction-diffusionmechanism.Science.Sicketal，2006)。Sick等使用反应-扩散模型还预测，DKK的表达量下降或降解加速会导致毛囊间距降低(Sicketal，2006)。与这一预测相一致的是，抑制BMP信号导致毛囊密度增加(Makingwaveswithhairs.JInvestDermatol.Plikusetal，2004)，而抑制BMP可能降低DKK1表达(TheWntantagonistDickkopf-1isregulatedbyBmpsignalingandc-Junandmodulatesprogrammedcelldeath.EMBOJ.Grotewoldetal，2002)。由此可见，DKK1是细毛羊育种的重要候选基因。在细胞或个体水平上对绵羊DKK1基因进行敲除或修饰，可解析绵羊DKK1基因的功能，为细毛羊的羊毛细度育种服务。
ZFN和TALEN打靶技术是目前研究较为成熟的两种种定点突变技术，但是这两种技术构建程序较为繁琐，每一个位点需要构建一对相应的核酸酶，而CRISPR／Cas9系统对特异位点的识别靠小的crRNA的引导，CRISPR区可以有一系列的crRNA组成，每个针对特异位点的crRNA只有几十个碱基，整个载体较小，相对于ZFN和TALEN载体，更加容易构建(CRISPR／Cas9新型基因打靶系统的研究进展.江苏农业学报.李辉等，2013)。
(CRISPR)／CRISPR-associated(Cas)是细菌和古细菌一种不断进化适应的免疫防御机制。CRISPR／Cas9利用一段小RNA来识别并剪切DNA以降解外来核酸分子。Cong等(MultiplexGenomeEngineeringUsingCRISPR／CasSystems.Science.2013)及Mali等(RNA-guidedhumangenomeengineeringviaCas9.Science.2013)证明Cas9系统能在293T、K562、iPS等多种细胞中，进行有效的靶向酶切，非同源重组(NHEJ)、同源重组(HR)效率在3-25％之间，与TALEN酶切效果相当。他们还证明，多个靶点可以同时进行靶向酶切。但是，随后的研究表明，Cas9存在较为明显的脱靶效应(High-frequencyoff-targetmutagenesisinducedbyCRISPR-Casnucleasesinhumancells.NatureBiotechnology.Fuetal，2013；High-throughputprofilingofoff-targetDNAcleavagerevealsRNA-programmedCas9nucleasespecificity.NatureBiotechnology.Pattanayaketal，2013)。麻省理工学院FengZhang团队使用双切刻技术将Cas9的特异性提高了50倍以上(DoublenickingbyRNA-guidedCRISPRCas9forenhancedgenomeeditingspecificity.Cell.Ranetal，2013)，维护了Cas9在基因打靶技术领域的地位。借助于这一技术，动植物基因功能研究及育种等等都将得到迅猛的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一对特异识别绵羊DKK1基因的sgRNA及其编码DNA和应用。本发明人利用编码这对sgRNA部分序列的短片段DNA构建表达载体，该表达载体能够表达出这对sgRNA，这对sgRNA能够特异性地识别绵羊DKK1基因。本发明还利用这对sgRNA引导Cas9n核酸酶(即Cas9切刻酶)对绵羊DKK1基因进行准确、高效地靶向修饰。
具体地，本发明的目的是这样实现的：
一对特异识别绵羊DKK1基因的sgRNA，由sgRNA-F和sgRNA-R组成；sgRNA-F和sgRNA-R分别由101个核苷酸组成，其中5’末端20nt的RNA片段(分别命名为sgRNA-F20和sgRNA-R20)可以识别染色体上特定的DNA序列，其余81nt称为骨架RNA片段。骨架RNA片段可形成发夹结构，与Cas9n核酸酶结合，从而引导Cas9n核酸酶切割靶标DNA单链，两个单链切口导致双链断裂(DSB)，细胞利用自身修复功能，使得靶标位点附近的序列发生变化；另外，这对sgRNA识别的DNA靶序列呈“头对头”的排布方式(即二者的5’末端相互靠近)，二者相距6bp，即有6bp的间隔。
所述sgRNA-F具体如序列表的序列2所示。
所述sgRNA-R具体如序列表的序列4所示。
本发明还保护一对DNA分子(命名为特异DNA分子对)，由编码所述sgRNA-F的DNA分子甲和编码所述sgRNA-R的DNA分子乙组成。
所述DNA分子甲具体如序列表的序列1所示。
所述DNA分子乙具体如序列表的序列3所示。
本发明还保护所述特异sgRNA在特异识别和靶向修饰绵羊DKK1基因中的应用。所述的绵羊DKK1基因，其基因组序列是NCBIGI为417531892的一段区域(6665494-6667735)。
本发明还保护所述特异sgRNA在构建绵羊DKK1基因突变库中的应用。所述绵羊DKK1基因，其基因组序列是NCBIGI为417531892的一段区域(6665494-6667735)。
与现有技术相比，本发明提供了一对特异识别绵羊DKK1基因的sgRNA，并提供了一对该sgRNA的编码DNA片段，从而通过Cas9系统在细胞或个体水平上对绵羊DKK1基因进行敲除或修饰，以解析绵羊DKK1基因的功能、构建绵羊DKK1基因突变库，为绵羊育种服务。
附图说明
图1为sgRNA靶点设计结果示意图，其中箭头处代表单链切刻位点(两个单链切口产生一个双链断裂)。
图2为质粒对pX335-sgRNA-F与pX335-sgRNA-R共转染绵羊SEF细胞48小时后提取DNA进行PCR扩增，将PCR产物克隆后的部分测序结果(突变序列)。
具体实施方式
以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。以下实施例中，如无特殊说明，均采用低糖DMEM培养基培养细胞。
pX335载体购自Addgene，货号42335。BbsI内切酶购自NEB公司，货号R0539S。DNA寡核苷酸均由北京六合华大基因科技股份有限公司合成。
实施例1、sgRNA表达质粒对的构建
1、sgRNA靶点设计
在NCBIGI：417531892的序列中提取绵羊DKK1基因的一段序列(包括第一外显子的编码区及其5’端部分非翻译区域，region：6667599-6667800，如下所示)，输入在线软件中设计靶标位点(http：／／zifit.partners.org／ZiFiT)。
1cgcggggactaggcgtgcaaagcgacactcctcctttctctttttctcccttgagtcctt
61ctgagatgacggctctgggcacagcgggtgctgcccgggtcttggtcgccctggtggctg
121cggctctttgcggtcaccctctgctgggagtgagcgccaccttgaacttcgttctcaact
181ccaacgccatcaagaacacccc
正向靶序列是GGGCACAGCGGGTGCTGCCC(77-96)、反向靶序列是5′GTCATCTCAGAAGGACTCAA3′(51-70)。两个靶序列呈“头对头”的排布方式，二者相距6bp，即有6bp的间隔。分别命名为正向靶标T1、反向靶标T2。靶标设计如图1所示。
2、sgRNA表达质粒对的构建
首先根据设计的靶序列送北京六合华大基因科技股份有限公司合成单链寡核苷酸，具体序列如下：
T1-F：CACCGGGCACAGCGGGTGCTGCCC
T1-R：AAACGGGCAGCACCCGCTGTGCCC
T2-F：CACCGTCATCTCAGAAGGACTCAA
T2-R：AAACTTGAGTCCTTCTGAGATGAC
其中T1-F与T1-R退火获得带粘性末端的双链DNA片段，经BbsI酶切，连入pX335载体中，获得pX335-sgRNA-F载体；T2-F与T2-R退火获得带粘性末端的双链DNA片段，经BbsI酶切，连入pX335载体中，获得pX335-sgRNA-R载体。两个质粒均送北京六合华大基因科技股份有限公司测序验证，测序引物bbsR的序列为：5′AAAGTCCCTATTGGCGTTAC3’。
实施例2、通过测序验证实施例1构建的sgRNA表达质粒对的生物活性
绵羊胎儿成纤维细胞(SEF)：分离培养方法参见文献：孟凡华，肖红梅，张东，周欢敏.蒙古绵羊胎儿皮肤成纤维细胞分离培养与特性分析.《中国畜牧兽医》2012年第3期，136-140.
1、将重组质粒pX335-sgRNA-F与pX335-sgRNA-R各4μg通过电转化的方式共转染1×106SEF细胞，得到重组细胞。转染的具体步骤是：使用核转仪(Amaxa，型号：AAD-1001S)及配套的哺乳动物成纤维细胞转染试剂盒(Amaxa，货号：VPI-1002)进行转染。首先使用0.05％胰蛋白酶(Gibco，货号：610-5300AG)消化贴壁细胞，用胎牛血清(Gibco，货号：16000-044)终止消化，磷酸盐缓冲液(Gibco，货号：10010-023)洗涤细胞两次，添加转染试剂，使用程序T-016转染细胞。
2、将步骤1得到的重组细胞37℃培养48小时，然后收集细胞。具体步骤是：首先使用0.05％胰蛋白酶(Gibco，货号：610-5300AG)消化贴壁细胞，用胎牛血清(Gibco，货号：16000-044)终止消化，磷酸盐缓冲液(Gibco，货号：10010-023)洗涤细胞两次，添加200微升细胞裂解液GA(TIANGEN公司DNA提取试剂盒DP304中的组分)。
3、提取步骤2收集的细胞的基因组DNA并作为模板，用PCRF与PCRR组成的引物对进行PCR扩增(PCRF：5′GCAAAGCGACACTCCTCC3′；PCRR：5’TGTTCTTGATGGCGTTGGA3’)，回收182bp的PCR扩增产物。DNA提取具体步骤是：使用TIANGEN公司DNA提取试剂盒(货号：DP304)提取DNA。在上一步所得裂解产物中添加20微升蛋白酶K溶液，混匀。加入200微升缓冲液GB，充分颠倒混匀，70℃放置10分钟，溶液变清亮，简短离心以去除管盖内壁的水珠。加入200微升无水乙醇，充分振荡混匀15秒，简短离心以去除管盖内壁的水珠。将上述溶液加入一个吸附柱CB3中，12000rpm离心30秒，倒掉废液，将吸附柱CB3放回收集管中。向吸附柱CB3中加入500微升缓冲液GD，12000rpm离心30秒，倒掉废液，将吸附柱CB3放回收集管中。向吸附柱CB3中加入700微升缓冲液PW，12000rpm离心30秒，倒掉废液，将吸附柱CB3放回收集管中。向吸附柱CB3中加入500微升缓冲液PW，12000rpm离心30秒，倒掉废液。将吸附柱CB3放回收集管中，12000rpm离心2分钟。将吸附柱CB3置于室温放置数分钟，以彻底晾干吸附材料中残余的漂洗液。将吸附柱CB3转入一个干净的离心管中，向吸附膜的中间部位悬空滴加50-200微升洗脱缓冲液TE，室温放置5分钟，12000rpm离心2分钟，将溶液收集到离心管中。
4、将步骤3得到的PCR扩增产物与pMD18一T载体(宝生物，货号：D101A)连接，得到连接产物。具体的连接步骤是：在微量离心管中配置下列DNA溶液：pMD18-T载体1微升，PCR产物4微升。加入5微升SolutionI。16℃反应30分钟。
5、取5微升连接产物加入50微升DH5α感受态细胞(宝生物，D9057S)中，冰上放置30分钟。42℃加热90秒，再在冰上放置1分钟。加入500微升SOC培养基，37℃振荡培养60分钟。涂布于氨苄青霉素抗性的LB固体培养基平板上进行培养，随机挑取20个克隆并进行测序，计算突变的克隆占总体克隆数的比例，从而估算出该对sgRNA质粒的效率。结果发现2个克隆在预期切割位点附近出现突变(详见图2)，即重组质粒pX335-sgRNA-F与pX335-sgRNA-R组成的质粒对在SEF细胞基因组中的切割效率达10％。
Claims (6)
1.一对特异识别绵羊DKK1基因的sgRNA，由sgRNA-F和sgRNA-R组成，sgRNA-F和sgRNA-R分别由101个核苷酸组成，其中5’末端20nt的RNA片段能识别绵羊染色体上DKK1基因，其余81nt的RNA片段为能与Cas9n核酸酶结合的骨架RNA片段；所述的sgRNA-F如序列表的序列2所示，所述的sgRNA-R如序列表的序列4所示。
2.一对DNA分子，由编码权利要求1中的所述sgRNA-F的DNA分子甲和编码权利要求1中的所述sgRNA-R的DNA分子乙组成。
3.如权利要求2所述的一对DNA分子，其特征在于：所述的DNA分子甲如序列表的序列1所示。
4.如权利要求2所述的一对DNA分子，其特征在于：所述的DNA分子乙如序列表的序列3所示。
5.权利要求1所述的sgRNA在特异识别和靶向修饰绵羊DKK1基因中的应用。
6.权利要求1所述的sgRNA在构建绵羊DKK1基因突变库中的应用。
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