CN105296518A - 一种用于CRISPR/Cas9技术的同源臂载体构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于CRISPR/Cas9技术的同源臂载体构建方法。本发明提供了一种将外源DNA分子利用CRISPR/Cas9同源重组到待编辑DNA片段的试剂盒,包括同源重组DNA片段或表达所述同源重组DNA片段的表达盒或重组载体、CRISPR/Cas?9系统或表达CRISPR/Cas?9系统的表达盒或重组载体;所述CRISPR/Cas?9系统包括SgRNA和Cas?9或Cas?9的mRNA。本发明方法涉及对sgRNA识别序列的选择、对同源臂载体上特定位点进行修饰和使用Gibson?assembly方法快速构建载体,在使用CRISPR/Cas9技术建立转基因动物模型过程中,具有广泛的用途。
Description
技术领域
本发明涉及生物技术领域,尤其涉及一种用于CRISPR/Cas9技术的同源臂载体构建方法。
背景技术
CRISPR/Cas9是最近几年出现的一种由RNA指导Cas核酸酶对靶标基因进行编辑的技术。它的工作原理是crRNA(CRISPR-derivedRNA)通过碱基配对与tracrRNA(trans-activatingRNA)结合形成tracrRNA/crRNA复合物,此复合物引导核酸酶Cas9蛋白在与crRNA配对的序列靶位点处剪切双链DNA,从而实现对基因组DNA序列进行编辑;而通过人工设计这两种RNA,改造形成具有向导作用的gRNA(guideRNA),指导Cas9对DNA的定点切割,这为生物体的研究和改造带来极大便利。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于将外源DNA分子同源重组到待编辑位置的试剂盒。
本发明提供的试剂盒,包括同源重组DNA片段或表达所述同源重组DNA片段的表达盒或重组载体、CRISPR/Cas9系统或表达CRISPR/Cas9系统的表达盒或重组载体;所述CRISPR/Cas9系统包括SgRNA和Cas9或Cas9的mRNA;
所述CRISPR/Cas9系统针对的靶标序列包括待编辑位置、PAM和位于PAM上游的SgRNA识别区;
所述同源重组DNA依次由上游同源臂、外源DNA分子和下游同源臂顺次连接构成;
所述上游同源臂上含有对应SgRNA识别区的序列和对应于PAM的序列,或,所述下游同源臂上含有对应SgRNA识别区的序列和对应于PAM的序列;
所述上游同源臂和下游同源臂上还含有或不含有片段X,所述片段X对应于靶标序列上的非PAM的其它NGG或NAG,且与所述对应于PAM的序列间隔8个核苷酸,且位于所述对应于PAM的序列的上游;
所述上游同源臂上和所述下游同源臂上的对应于所述PAM的序列为所述PAM的同义密码子,所述对应SgRNA识别区的序列为所述对应于PAM的序列上游20个核苷酸序列;
所述上游同源臂和所述下游同源臂上的所述片段X的序列为NGG或NAG的同义密码子;
所述PAM的序列为NGG或NAG;所述NGG和NAG中,N为A、T、C、G四种中任一种。
上述试剂盒中,所述上游同源臂对应于自所述待编辑位置起上游60-850bp内的任一片段;所述下游同源臂对应于自所述待编辑位置起下游60-850bp内的任一片段;
所述上游同源臂具体对应于自所述待编辑位置起上游60-850bp的DNA片段;
所述下游同源臂具体对应于自所述待编辑位置起下游60-850bp的DNA片段。
上述试剂盒中,所述SgRNA由所述SgRNA识别区和Cas9蛋白识别区组成;所述SgRNA的核苷酸序列为所述SgRNA识别区的核苷酸序列和所述Cas9蛋白识别区核苷酸序列组成,且所述SgRNA识别区的核苷酸序列的最后一位碱基与所述Cas9蛋白识别区核苷酸序列第一位碱基紧邻;
所述Cas9蛋白识别区的核苷酸序列为序列表中序列2;
所述待编辑位置与所述Cas9的切点不是同一点。
上述试剂盒中,所述Cas9的mRNA的cDNA的核苷酸序列为序列3。
本发明另一个目的是提供一种制备上述试剂盒的方法,其特征在于:包装上述SgRNA、上述同源重组DNA和上述Cas9的mRNA,得到试剂盒。
上述的试剂盒在将外源DNA分子同源重组到待编辑位置中的应用也是本发明保护的范围。
本发明第三个目的是提供一种将外源DNA分子同源重组到待编辑位置的方法。
本发明提供的方法,包括如下步骤:
将上述的试剂盒中的所述SgRNA、所述同源重组DNA和所述Cas9的mRNA导入含有待编辑DNA片段的体系中,实现外源DNA分子同源重组到待编辑位置。
上述方法中,
所述待编辑DNA片段源于小鼠基因组DNA;含有待编辑DNA片段的体系为小鼠受精卵。
所述外源DNA分子为序列1第806-907位;
所述SgRNA的识别区的核苷酸序列为序列1第781-800位;
所述同源重组DNA的核苷酸序列为序列1第1-1507位;
所述Cas9的mRNA的cDNA的核苷酸序列为序列3;
所述上游同源臂为序列1第1-805位核苷酸或序列1第745-805位核苷酸;
所述下游同源臂为序列1第908-1507位核苷酸或序列1第908-967位核苷酸。
本发明以构建LIM同源域蛋白编码序列中插入Flag序列为例,公开了一种用于CRISPR/Cas9技术的同源臂载体的设计与构建方法,降低了实验难度,提高了实验效率。方法涉及SgRNA识别序列的选择、同源臂载体上特定碱基的修饰和使用Gibsonassembly方法快速构建载体,本发明还可用于如点突变、保守区域替换、N端或C端加标记等,在使用CRISPR/Cas9技术建立转基因动物模型过程中,具有广泛的用途。
本发明的实验证明,通过如下改进可以提高工作效率:选取待编辑的小鼠基因组序列,不长于250bp,通过网站在线设计靶点,依据计算返回的分值和距离编辑位点的距离筛选,选出分值高、距离靶点近的SgRNA进行实验,使用T3RNA聚合酶体外转录合成SgRNA,把SgRNA、同源臂DNA和Cas9的mRNA混合后注射到小鼠受精卵,得到转基因小鼠。对同源臂上DNA碱基进行置换,消除SgRNA的识别位点,防止Cas9切割同源臂造成的同源重组机率下降。置换的原则是NGG,NAG需要用同义密码子替换,NGG上游8bp碱基也要突变,共需要突变2个碱基,NGG不能突变为NAG,操作片段较短时合成双链DNA用于后续实验。本发明的实验还证明,延长SgRNA识别位点两侧的同源臂长度,可以提高同源重组的效率。经实验发现短至60bp(两侧各)的同源臂能够重组到染色体上,且存在位点偏好,由于未知原因,效率存在差异。延长两侧的同源臂长度至600bp-100bp,可以显著提高获得转基因小鼠的比例。
常规载体构建使用酶切-连接的方法,会增加无关的碱基序列,甚至造成蛋白质翻译时移码突变,无法使用。本发明使用Gibsonassembly方法,并与其他方法比较,发现本方法操作简单、效果好,适合构建用于CRISPR/Cas9技术的同源臂载。
附图说明
图1为利用PCR扩增鉴定子代小鼠基因型,图中位置靠上的片段的为阳性子代小鼠。
图2为鉴定不同长度同源臂得到阳性子代小鼠电泳图,延长同源臂长度后获得转基因小鼠的比例提高。
具体实施方式
下述实施例中所使用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材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
实施例1、CRISPR/Cas9的同源重组试剂盒制备及应用
将flag基因插入小鼠基因组的tag前面,得到插入外源基因的片段,其核苷酸序列为序列1。
一、CRISPR/Cas9的同源重组试剂盒的制备
1、选取靶向片段(靶标序列)
在小鼠基因组的待编辑位置的上游或下游选取PAM序列,将含有PAM序列、待编辑位置上游805bp的DNA片段甲和待编辑位置下游600bp的DNA片段乙的大小为1405bp的片段,记作靶向片段;
PAM序列由NGG或NAG组成,其中N为A、T、C、G四种中任一种;
待编辑位置为序列1第908-911的TGA。
2、突变靶向片段,得到突变后靶向片段(其核苷酸序列由序列1第1-805位和序列1第908-1507位组成);
上述靶向片段中距离PAM序列间隔8个核苷酸不为NGG或NAG,将靶向片段上的PAM序列突变为AGA,得到突变后靶向片段;
cas9的切点为PAM上游第3和第4个碱基间。
3、根据突变后靶向片段设计并合成SgRNA和同源重组DNA,且合成Cas9的mRNA;
1)SgRNA
SgRNA从5’端起由SgRNA识别区和Cas9蛋白识别区组成,其核苷酸序列为SgRNA识别区的核苷酸序列和Cas9蛋白识别区核苷酸序列组成,且SgRNA识别区的核苷酸序列的最后一位碱基与Cas9蛋白识别区核苷酸序列第一位碱基紧邻;
Cas9蛋白识别区的核苷酸序列为序列2;
SgRNA识别区为突变后靶向片段中位于PAM序列突变后同义密码子(同义密码子agg为序列1第801-803位)上游的20个核苷酸,具体为序列1第781-800位核苷酸;
2)同源重组DNA
同源重组DNA由上游同源臂、外源DNA分子和下游同源臂组成,其核苷酸序列为序列1第1-1507位核苷酸;
其中,上游同源臂为突变后靶向片段上待编辑位置上游805bp的DNA片段,具体为序列1第1-805位核苷酸;
其中,下游同源臂为突变后靶向片段上待编辑位置下游600bp的DNA片段,具体为序列1第908-1507位核苷酸;
外源DNA分子为flag基因,具体为序列1第806-907位核苷酸。
3)Cas9的mRNA
Cas9的mRNA的核苷酸序列为序列3。
人工合成上述SgRNA、同源重组DNA和Cas9的mRNA。
4、包装SgRNA、同源重组DNA和Cas9mRNA,得到试剂盒。
二、CRISPR/Cas9的同源重组试剂盒应用
将上述一制备的SgRNA、同源重组DNA和Cas9mRNA按照如下表1所示的体系混合后注射到离体小鼠(C57BL6j品系,北京维通利华公司)受精卵中,得到注射后受精卵。
表1为注射体系
把注射后受精卵移植到假孕小鼠(CD1品系,北京华阜康公司)的输卵管中,待子代小鼠出生。
2、验证
提取子代小鼠尾巴的基因组DNA,具体方法如下:
取小鼠的尾巴1mm或等量组织加入500μl的裂解液,55℃震荡裂解过夜
加入等体积苯酚,振荡离心管3min,充分混合,静置5min,使蛋白质变性,12000r/min离心10min。
取上清加入等体积的苯酚:氯仿:异戊醇(25:24:1)混合液,振荡3min,静置5min使变性后的蛋白溶解在氯仿中。12000r/min离心10min.
取上清加入等体积的氯仿:异戊醇(24:1),振荡离心管3min,静置5min,12000r/mim离心10min,取上清,12000r/min,5min沉淀杂质
取上清,加入等体积异丙醇,用手上下颠倒离心管数次,此时应可见形成的白色丝状沉淀,冰上静置10min,沉淀DNA,12000r/min,离心10min
加入70%乙醇洗沉淀,晾干沉淀,加入200TE溶解DNA,得到总DNA。
表2为SNET裂解液
以总DNA为模板,用上游引物5’-TAGCATCGATGTCCTCGCAG和下游引物5’-GAAATGAACGCTCCAGGAAGC对同源臂上编辑区域进行PCR扩增,鉴定子代小鼠基因型,阳性子代小鼠因插入Flag标签,长度增加,得到318bp片段的为基因组中插入Flag标签的阳性子代小鼠(图1)。
结果,27个子代小鼠中,7个为阳性子代小鼠,阳性小鼠的比例为25.9%。
实施例3、不同同源臂长度进行同源重组
将flag基因插入小鼠基因组的tag前面,得到插入外源基因的片段。
一、CRISPR/Cas9的同源重组试剂盒的制备
1、选取靶向片段:与实施例1相同;
2、突变靶向片段,得到突变后靶向片段;与实施例1相同;
3、根据突变后靶向片段设计并合成SgRNA和同源重组DNA,且合成Cas9的mRNA;
1)SgRNA
与实施例1相同;
2)同源重组DNA
同源重组DNA由上游同源臂、外源DNA分子和下游同源臂组成,其核苷酸序列为序列1第745-967位核苷酸;
其中,上游同源臂为突变后靶向片段上待编辑位置上游60bp的DNA片段,具体为序列1第745-805位核苷酸;
其中,下游同源臂为突变后靶向片段上待编辑位置下游60bp的DNA片段,具体为序列1第908-967位核苷酸;
外源DNA分子为flag基因,且包含了切点至转录终止信号之间的碱基,具体为序列1第806-907位核苷酸。
3)Cas9的mRNA
与实施例1相同;
人工合成上述SgRNA、同源重组DNA和Cas9的mRNA。
4、包装SgRNA、同源重组DNA和Cas9mRNA,得到试剂盒。
二、CRISPR/Cas9的同源重组试剂盒应用
按照上述实施例1的二的方法将上述不同试剂盒中的SgRNA、同源重组DNA和Cas9mRNA分别转入离体小鼠受精卵,把注射后受精卵移植到假孕小鼠(CD1品系,北京华阜康公司)的输卵管中,待子代小鼠出生。
以子代小鼠基因组DNA为模板,用上游引物5’-TAGCATCGATGTCCTCGCAG和下游引物5’-GAAATGAACGCTCCAGGAAGC对同源臂上编辑区域进行PCR扩增,鉴定小鼠基因型,阳性小鼠因插入Flag标签,长度增加,得到318bp片段的为基因组中插入Flag标签的阳性小鼠(图2)。
结果如表3,可以看出延长两侧的同源臂长度,可以显著提高转基因效率。
表3为不同长度同源臂获得阳性小鼠的比例
可以看出,延长同源臂,可以提高同源重组率(即为阳性小鼠比例)。
Claims (8)
1.一种用于将外源DNA分子同源重组到待编辑位置的试剂盒,包括同源重组DNA片段或表达所述同源重组DNA片段的表达盒或重组载体、CRISPR/Cas9系统或表达CRISPR/Cas9系统的表达盒或重组载体;所述CRISPR/Cas9系统包括SgRNA和Cas9或Cas9的mRNA;
所述CRISPR/Cas9系统针对的靶标序列包括待编辑位置、PAM和位于PAM上游的SgRNA识别区;
所述同源重组DNA依次由上游同源臂、外源DNA分子和下游同源臂顺次连接构成;
所述上游同源臂上含有对应SgRNA识别区的序列和对应于PAM的序列,或,所述下游同源臂上含有对应SgRNA识别区的序列和对应于PAM的序列;
所述上游同源臂和下游同源臂上还含有或不含有片段X,所述片段X对应于靶标序列上的非PAM的其它NGG或NAG,且与所述对应于PAM的序列间隔8个核苷酸,且位于所述对应于PAM的序列的上游;
所述上游同源臂上和所述下游同源臂上的对应于所述PAM的序列为所述PAM的同义密码子,所述对应SgRNA识别区的序列为所述对应于PAM的序列上游20个核苷酸序列;
所述上游同源臂和所述下游同源臂上的所述片段X的序列为NGG或NAG的同义密码子;
所述PAM的序列为NGG或NAG;所述NGG和NAG中,N为A、T、C、G四种中任一种。
2.根据权利要求1所述的试剂盒,其特征在于:所述上游同源臂对应于自所述待编辑位置起上游60-850bp内的任一片段;所述下游同源臂对应于自所述待编辑位置起下游60-850bp内的任一片段;
所述上游同源臂具体对应于自所述待编辑位置起上游60-850bp的DNA片段;
所述下游同源臂具体对应于自所述待编辑位置起下游60-850bp的DNA片段。
3.根据权利要求1或2所述的试剂盒,其特征在于:
所述SgRNA由所述SgRNA识别区和Cas9蛋白识别区组成;所述SgRNA的核苷酸序列为所述SgRNA识别区的核苷酸序列和所述Cas9蛋白识别区核苷酸序列组成,且所述SgRNA识别区的核苷酸序列的最后一位碱基与所述Cas9蛋白识别区核苷酸序列第一位碱基紧邻;
所述Cas9蛋白识别区的核苷酸序列为序列表中序列2;
所述待编辑位置与Cas9的切点不是同一点。
4.根据权利要求1-3中任一所述的试剂盒,其特征在于:所述Cas9的mRNA的cDNA的核苷酸序列为序列3。
5.一种制备权利要求1-4中任一所述试剂盒的方法,其特征在于:包装权利要求1中所述SgRNA、所述同源重组DNA和所述Cas9的mRNA,得到试剂盒。
6.权利要求1-4中任一所述的试剂盒在将外源DNA分子同源重组到待编辑位置中的应用。
7.一种将外源DNA分子同源重组到待编辑位置的方法,包括如下步骤:
将权利要求1-4中任一所述的试剂盒中的所述SgRNA、所述同源重组DNA和所述Cas9的mRNA导入含有待编辑DNA片段的体系中,实现外源DNA分子同源重组到待编辑位置。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于:
所述待编辑DNA片段源于小鼠基因组DNA;
所述外源DNA分子为序列1第806-907位;
所述SgRNA的识别区的核苷酸序列为序列1第781-800位;
所述同源重组DNA的核苷酸序列为序列1第1-1507位;
所述Cas9的mRNA的cDNA的核苷酸序列为序列3;
所述上游同源臂为序列1第1-805位核苷酸或序列1第745-805位核苷酸;
所述下游同源臂为序列1第908-1507位核苷酸或序列1第908-967位核苷酸。
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