中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (7): 1434-1450.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.014
罗刚1,2(), 程依依1,2, 杨雯1,2, 肖怡梦1,2, 杨铖熹1,2
收稿日期:
2024-03-09
接受日期:
2025-03-03
出版日期:
2025-04-08
发布日期:
2025-04-08
联系方式:
罗刚,E-mail:luo_gang1989@163.com
基金资助:
LUO Gang1,2(), CHENG YiYi1,2, YANG Wen1,2, XIAO YiMeng1,2, YANG ChengXi1,2
Received:
2024-03-09
Accepted:
2025-03-03
Published:
2025-04-08
Online:
2025-04-08
摘要:
规律间隔成簇短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR)相关蛋白(CRISPR-associated protein, Cas)基因编辑技术不仅引发了生命科学领域的革命性发展,还在农业领域带来了翻天覆地的变革。作为CRISPR基因编辑系统的重要分支,CRISPR-Cas12a系统凭借其独特的分子特征,在生物育种和疾病诊断领域展现出区别于经典CRISPR-Cas9系统的应用潜力。相较于II型Cas9系统,V型的Cas12a蛋白只有一个RuvC-Nuc核酸酶结构域,与Cas9蛋白的HNH-RuvC双核酸酶结构域形成鲜明对比。Cas12a切割靶DNA产生交错型双链断裂(double-stranded DNA break,DSB),并保留了CRISPR RNA(crRNA)和Cas12a的“R环(R-loop)”。R环的保留是CRISPR-Cas12a基因编辑系统拥有“附带切割”特性和开发核酸和小分子检测技术的结构基础。Cas12a识别富含胸腺嘧啶的原间隔区相邻基序(protospacer adjacent motif,PAM),是CRISPR-Cas基因编辑系统的有效补充,其依赖crRNA的自主加工能力显著区别于Cas9的反式激活CRISPR RNA(tracrRNA)依赖系统,在多基因同步编辑方面展现出更大的优势。Cas12a的以上特性使其在农作物遗传改良中取得突破性进展——已成功培育出抗病、高产的商业化农作物品种。在基础研究方向,失活的Cas12a(dCas12a)与转录调控或表观修饰元件融合表达,可实现不产生DSB的精准基因表达调控;其与等温扩增技术联用可实现疾病的可视化检测。本文从V型Cas蛋白的分类、Cas12a在细菌内的作用原理和Cas12a与crRNA复合体的功能结构域等方面系统地介绍了CRISPR-Cas12a基因编辑系统;从靶向RNA的加工原理、Cas效应蛋白的功能结构、基因编辑的效果和应用4个方面对比了CRISPR-Cas12a和CRISPR-Cas9两套基因编辑系统;从基因调控、表观修饰和碱基编辑3个方面阐述了CRISPR-dCas12a和CRISPR-dCas9激活和抑制系统;从核酸、蛋白质和小分子3个方面阐述了CRISPR-Cas12a系统在分子检测领域的作用原理;从基因调控、碱基编辑、物质检测、疾病诊断和生物育种几个方面系统阐述了CRISPR-Cas12a在农业生产中的应用。随着引物编辑等更加安全的非DSB依赖技术的发展,CRISPR-Cas12a系统将在作物精准育种、畜禽遗传改良和临床快速检测等领域发挥更重要的作用,为应对全球粮食安全挑战和传染病防控提供创新性解决方案。
罗刚, 程依依, 杨雯, 肖怡梦, 杨铖熹. CRISPR-Cas12a基因编辑技术及其在农业生产中的应用[J]. 中国农业科学, 2025, 58(7): 1434-1450.
LUO Gang, CHENG YiYi, YANG Wen, XIAO YiMeng, YANG ChengXi. CRISPR-Cas12a Gene Editing Technology and Its Application in Agricultural Production[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2025, 58(7): 1434-1450.
图1
Cas12a的结构信息及其作用机制 A:Cas12a蛋白一级结构Cas12a protein primary structure,WED:Wedge区域Wedge region;REC:识别区域Recognition domain;PI:PAM作用区域PAM interacting domain;BH:螺旋桥Bridge helix;NUC:核酸酶区域Nuclease domain;PAM:原间隔相邻基序Protospacer adjacent motif;B和D:Cas12a与crRNA形成的核酸蛋白复合物的结构Structure of the nucleic acid-protein complex formed by Cas12a with crRNA;C:CrRNA加工示意图Schematic diagram of CrRNA processing,字母B和V分别代表G/T/C和G/A/C,The letters B and V stand for G/T/C and G/A/C respectively,TS:靶向序列Targeted sequence;NTS:非靶向序列Non-targetd sequence"
图2
CRISPR-Cas12a和CRISPR-Cas9的组装和功能 A:Cas12a和crRNA复合体剪切DNA示意图Schematic diagram of Cas12a and crRNA complexes shearing DNA,DSB:双链DNA断口Double-stranded DNA break;B:Cas9和sgRNA复合体剪切DNA示意图Schematic diagram of Cas9 and sgRNA complexes shearing DNA;C:sgRNA与靶序列结合示意图Schematic representation of sgRNA binding to target sequences"
表1
CRISPR-Cas9和CRISPR-Cas12a系统组成和功能区别"
核酸酶Nuclease | Cas9 | Cas12a |
---|---|---|
类型Type | II | V |
大小Size | ~1000—1600aa | ~1300aa |
结构域Domain | RuvC和HNH | RuvC-Nuc |
gRNA | crRNA和tracrRNA | crRNA |
底物Substrate | dsDNA | ssDNA和dsDNA |
PAMs | 富含G G-rich region | 富含T T-rich region |
DSB | 平末端Blunt end | 黏性末端Sticky end |
pre-crRNA加工 pre-crRNA processing | 宿主RNase III和tracrRNA Host RNase III and tracrRNA | RNase活性RNase activity |
种子序列 Seed sequence | PAM的3'端3' end of PAM | PAM的5'端5' end of PAM |
附带切割 Collateral cleavage | 否No | 是Yes |
靶向序列长度 Target sequence length | 20 nt | 23—25 nt |
缺失核苷酸 Deletion nucleotide | 1—2 nt | 3—30 nt |
多位点编辑 Multiple editing | 较难Harder | 容易Easier |
HDR效率 HDR efficiency | 非常低Lower | 相对高Higher |
体外快速检测 Rapid detection in vitro | 设计繁琐Cumbersome design | 广泛应用Widespread use |
表2
Cas12a核酸酶及其突变体"
名称Name | 基因型Genotype | PAM(5' to 3') | 参考序列Reference |
---|---|---|---|
AsCas12a | 野生型Wild-type | GTTV, GCTV | [ |
AsCas12a | 野生型Wild-type | TTTV | [ |
AsCas12a-RR | S542R/K607R | TYCV | [ |
AsCas12a-RVR | S542R/K548V/N552R | TATV | [ |
enAsCas12a | E174R/S542R/K548R | TTYN, VTTV, TRTV | [ |
enAsCas12a-HF | E174R/N282A/S542R/K548R | TTYN, VTTV, TRTV | [ |
AsCas12a-Plus | R951K,R955A, E174R | ATTA, CTTA, GTTA, TCTA | [ |
LbCas12a | 野生型Wild-type | TTTV | [ |
LbCas12a-RR | G532R/K595R | TYCV | [ |
LbCas12a-RVR | G532R/K538V/Y542R | TATV | [ |
LbCas12a-RVRR | G532R/K538V/Y542R/K595R | TNTN, TWCV, CYCV | [ |
impLbCas12a | D156R/G532R/K538V/Y542R/K595R | NTTV, TAYV, YYYV, TGTV | [ |
ttLbCas12a | D156R | TTTV | [ |
FnCas12a | 野生型Wild-type | TTV, TTTV | [ |
FnCas12a-RR | N607R/K671R | TYCV, TCTV | [ |
FnCas12a-RVR | N607R/K613V/N617R | TWTV | [ |
FnCas12a-EP15 | N607R/K613V/N617R/K180S/K660R/D616N | YN, TAC, CAA | [ |
FnCas12a-EP16 | N607R/K613V/N617R/K180S/K660R | YN, TAC | [ |
MbCas12a | 野生型Wild-type | TTV, TTTV | [ |
MbCas12a-RR | N576R/K637R | TYCV, TCTV | [ |
MbCas12a-RVR | N576R/K582V/N586R | TWTV | [ |
Mb2Cas12a | 野生型Wild-type | VTTV | [ |
Mb2Cas12a-RVR | N563R/K569V/N573R | TATV | [ |
Mb2Cas12a-RVRR | N563R/K569V/N573R/K625R | NTTV, TATV, TYCV, CYCV | [ |
Mb3Cas12a | 野生型Wild-type | TTTV, TTN | [ |
Mb3Cas12a-3Rv | D180R/N581R/K587R | NTTV, NTCV, TRTV | [ |
ErCas12a | 野生型Wild-type | YTTN | [ |
ErCas12a-RR | D529R/K594R | TYCV | [ |
ErCas12a-RVR | D529R/K535V/N539R | TATV | [ |
CeCas12a | 野生型Wild-type | TTTV | [ |
BsCas12a | 野生型Wild-type | TTN | [ |
BsCas12a-3Rv | K155R/N512R/K518R | NTTV, NTCV, TRTV | [ |
PrCas12a-3Rv | E162R/N519R/K525R | NTTV, NTCV, TRTV | [ |
ArCas12a | 野生型Wild-type | TTN | [ |
PrCas12a | 野生型Wild-type | TTN | [ |
HkCas12a | 野生型Wild-type | YYN | [ |
图3
DETECTR和SAHARA系统作用示意图 A:DETECTR检测核酸示意图Schematic diagram of DETECTR detection of nucleic acids,RPA:重组聚合酶扩增recombinase polymerase amplification,DETECTR:DNA内切酶靶向CRISPR反式报告系统DNA Endonuclease Targeted CRISPR Trans Reporter,dsDNA:双链DNA Double-stranded DNA,ssDNA:单链DNA Single-stranded DNA;B:SAHARA剪切核酸示意图Schematic of SAHARA shear nucleic acid,SAHARA:Split Activators for Highly Accessible RNA Analysis,ssRNA:单链RNA Single-stranded RNA"
[1] |
doi: 10.1093/nar/gkt157 pmid: 23470997 |
[2] |
doi: 10.1146/annurev-biochem-072911-172315 pmid: 23495939 |
[3] |
doi: 10.1038/s41579-019-0299-x pmid: 31857715 |
[4] |
doi: 10.1126/science.1231143 pmid: 23287718 |
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
doi: 10.1016/j.cell.2015.09.038 pmid: 26422227 |
[9] |
doi: 10.1126/science.aar6245 pmid: 29449511 |
[10] |
doi: 10.1038/s41467-021-22330-w pmid: 33782402 |
[11] |
doi: 10.1016/j.jgg.2021.04.003 pmid: 34120856 |
[12] |
doi: 10.1093/nar/gkaa110 pmid: 32107556 |
[13] |
|
[14] |
doi: 10.1038/nrmicro.2016.184 pmid: 28111461 |
[15] |
doi: 10.1038/s41467-023-43389-7 pmid: 37980404 |
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
doi: 10.1038/s41598-021-98965-y pmid: 34593942 |
[20] |
doi: 10.1016/j.cell.2013.08.021 pmid: 23992846 |
[21] |
doi: S2319-4170(19)30505-0 pmid: 32200959 |
[22] |
|
[23] |
doi: 10.1038/nbt.3900 pmid: 28581492 |
[24] |
|
[25] |
|
[26] |
|
[27] |
doi: 10.1038/s41587-018-0011-0 pmid: 30742127 |
[28] |
doi: 10.1186/s12915-022-01296-1 pmid: 35468792 |
[29] |
doi: 10.1111/pbi.13275 pmid: 31606929 |
[30] |
doi: 10.1093/nar/gky815 pmid: 30239882 |
[31] |
|
[32] |
doi: 10.2302/kjm.2019-0009-OA pmid: 31723075 |
[33] |
|
[34] |
doi: 10.1186/s13059-020-01989-2 pmid: 32213191 |
[35] |
doi: 10.1186/s13059-019-1620-8 pmid: 30717767 |
[36] |
doi: 10.1038/s41467-024-47795-3 pmid: 38678031 |
[37] |
doi: 10.1038/nbt.3620 pmid: 27347757 |
[38] |
|
[39] |
doi: 10.1038/nbt.2808 pmid: 24463574 |
[40] |
doi: 10.1038/nbt.3609 pmid: 27272384 |
[41] |
doi: 10.1038/s41598-017-11760-6 pmid: 28912524 |
[42] |
赵雨欣. 基于CRISPR-Cas12a系统的水稻品质基因OsGBSSⅠ启动子编辑[D]. 成都: 电子科技大学, 2021.
|
|
|
[43] |
|
[44] |
doi: 10.1093/nar/gkaa226 pmid: 32282899 |
[45] |
|
[46] |
|
[47] |
梁晶晶. CRISPR多重基因编辑技术敲除鸡TVB基因及新型多重基因编辑体系的建立[D]. 南宁: 广西大学, 2022.
|
|
|
[48] |
李少雅. CRISPR/Cas12a系统介导的水稻基因编辑和定点基因替换体系的构建及优化[D]. 北京: 中国农业科学院, 2020.
|
|
|
[49] |
doi: S0022-2836(18)30666-1 pmid: 29958882 |
[50] |
|
[51] |
|
[52] |
doi: 10.1021/acssynbio.0c00424 pmid: 33238093 |
[53] |
|
[54] |
|
[55] |
|
[56] |
|
[57] |
|
[58] |
doi: 10.1038/s41556-021-00836-1 pmid: 35145221 |
[59] |
|
[60] |
|
[61] |
doi: 10.1038/ncomms15790 pmid: 28585549 |
[62] |
|
[63] |
|
[64] |
doi: 10.1038/s41467-020-18575-6 pmid: 32948757 |
[65] |
doi: 10.1038/s41467-023-41006-1 pmid: 37669948 |
[66] |
|
[67] |
|
[68] |
|
[69] |
doi: 10.1021/nn300694v pmid: 22631052 |
[70] |
doi: 10.1021/acssensors.8b00516 pmid: 30156834 |
[71] |
|
[72] |
doi: 10.3389/fpls.2018.01361 pmid: 30283477 |
[73] |
|
[74] |
|
[75] |
|
[76] |
|
[77] |
|
[78] |
|
[79] |
doi: 10.1038/s41598-020-70531-y pmid: 32782385 |
[80] |
doi: 10.1186/s12870-021-02979-7 pmid: 33894749 |
[81] |
|
[82] |
|
[83] |
|
[84] |
|
[85] |
|
[86] |
|
[87] |
doi: 10.1021/acs.analchem.1c00371 pmid: 33651945 |
[88] |
|
[89] |
|
[90] |
|
[91] |
|
[92] |
|
[93] |
|
[94] |
doi: 10.1021/acssynbio.9b00209 pmid: 31532637 |
[95] |
|
[96] |
|
[97] |
doi: 10.1146/annurev-food-032818-121204 pmid: 30908954 |
[98] |
任吉龙. 应用Cas12iMax进行多基因编辑提高家畜肌肉产量及抗病能力的研究[D]. 北京: 中国农业科学院, 2023.
|
|
|
[99] |
|
[100] |
|
[101] |
|
[102] |
|
[103] |
|
[1] | 靳亚茹, 陈斌, 王歆凯, 周田田, 李笑, 邓晶晶, 杨郁文, 郭冬姝, 张保龙. 利用基因编辑产生长片段缺失创制低谷蛋白水稻种质[J]. 中国农业科学, 2025, 58(6): 1052-1064. |
[2] | 徐以恒. “基因编辑农作物”专利规制的困境及出路[J]. 中国农业科学, 2025, 58(5): 831-839. |
[3] | 许娜, 唐颖, 徐正进, 孙健, 徐铨. 籼粳杂种不育的遗传分析和候选基因鉴定[J]. 中国农业科学, 2024, 57(8): 1417-1429. |
[4] | 陈细红, 蔡伟, 虞赟, 李敏, 王念武, 杜振国, 沈建国, 高芳銮. 福建省茶树病毒种类鉴定及多重PCR检测技术的建立[J]. 中国农业科学, 2024, 57(4): 698-710. |
[5] | 武玉花, 翟杉杉, 普豪祯, 高鸿飞, 张华, 李俊, 李允静, 肖芳, 吴刚, 徐利群. 农业用植物基因编辑产品检测方法研究进展[J]. 中国农业科学, 2024, 57(17): 3318-3334. |
[6] | 温一博, 陈淑婷, 徐正进, 孙健, 徐铨. DEP1、Gn1a和qSW5组合应用调控水稻穗部性状[J]. 中国农业科学, 2023, 56(7): 1218-1227. |
[7] | 吴元龙, 惠凤娇, 潘振远, 尤春源, 林海荣, 李志博, 金双侠, 聂新辉. 后基因组时代发展抗除草剂作物的机遇及挑战[J]. 中国农业科学, 2023, 56(17): 3285-3301. |
[8] | 杨敏,胥华伟,王翠玲,杨护,魏岳荣. 利用CRISPR/Cas9技术研究玉米ZmFKF1在开花过程中的作用[J]. 中国农业科学, 2021, 54(4): 696-707. |
[9] | 陈晓军,吴凯伸,惠建,白海波,马斯霜,李靖宇. 基于基因编辑技术创制高亚油酸水稻材料[J]. 中国农业科学, 2021, 54(14): 2931-2940. |
[10] | 李兆伟,零东兰,孙聪颖,曾慧玲,刘凯基,蓝颖珊,范凯,林文雄. 利用CRISPR/Cas9技术定向编辑水稻OsIAA11[J]. 中国农业科学, 2021, 54(13): 2699-2709. |
[11] | 张翔,史亚兴,卢柏山,武莹,刘亚,王元东,杨进孝,赵久然. 利用CRISPR/Cas9技术编辑BADH2-1/BADH2-2创制香米味道玉米新种质[J]. 中国农业科学, 2021, 54(10): 2064-2072. |
[12] | 祁永斌,张礼霞,王林友,宋建,王建军. 利用CRISPR/Cas9技术编辑水稻香味基因Badh2[J]. 中国农业科学, 2020, 53(8): 1501-1509. |
[13] | 管方念,龙黎,姚方杰,王昱琦,江千涛,康厚扬,蒋云峰,李伟,邓梅,李豪,陈国跃. 152份黄淮海麦区小麦农家品种抗条锈性评价及重要条锈病抗性基因的分子检测[J]. 中国农业科学, 2020, 53(18): 3629-3637. |
[14] | 张成,何明亮,汪威,徐芳森. 一种CRISPR-Cas9介导的拟南芥高效基因编辑系统的构建与应用[J]. 中国农业科学, 2020, 53(12): 2340-2348. |
[15] | 蒲艳,刘超,李继洋,阿尔祖古丽·塔什,胡燕,刘晓东. 番茄U6启动子的克隆及CRISPR/Cas9基因编辑体系的建立[J]. 中国农业科学, 2018, 51(2): 315-326. |
|