猪繁殖与呼吸综合征(Porcine reproductive and respiratory syndrome, PRRS)是猪传染性最强和致死性最高的病毒性疾病之一。尽管分化抗原簇163 (Cluster of differentiation 163, CD163) 蛋白被确定为介导PRRS病毒(Porcine reproductive and respiratory syndrome virus, PRRSV)感染的必需受体,但CD163参与感染的重要氨基酸残基仍不清楚。鉴定这些关键残基对于研究PRRSV的感染机制和制备抗PRRSV的基因编辑猪具有重要意义。对CD163结构的分析表明,CD163 SRCR5结构域内的配体结合口袋(ligand-binding pocket, LBP)(位于CD163的第487位到499位氨基酸)和loop 5–6(位于CD163的第544位到570位氨基酸)可能参与了PRRSV的感染。CD163 LBP位点特异性编辑猪可以完全抵抗PRRSV感染,但loop 5-6的破坏或缺失是否能抑制PRRSV的感染尚未报道。R561(第561位的精氨酸(R))位于loop 5-6内,R561A突变的PK-15细胞可以显著增强对PRRSV的抗感染能力,但定点编辑CD163 R561的猪肺泡巨噬细胞(porcine alveolar macrophages, PAMs)(PRRSV感染的靶细胞)或CD163 R561编辑猪能否抑制PRRSV的感染仍不清楚。这项研究中,我们首先利用CRISPR/Cas9介导的片段删除技术制备了CD163缺失40个氨基酸残基的永生化猪肺泡巨噬细胞(immortalized porcine alveolar macrophage, IPAM)细胞系,这40个残基位于CD163的第523位到562位氨基酸,这其中包含了R561和部分loop 5–6结构,该细胞系被命名为IPAM-CD163△523-562。病毒感染实验表明,IPAM-CD163△523-562可以完全抵抗 PRRSV的感染。同时,我们利用CRISPR/Cas9介导同源重组技术制备了携带CD163-R561A(CD163的561位精氨酸(R)被替换为丙氨酸(A))的基因编辑克隆猪,并分离得到原代CD163-R561A PAMs。PRRSV攻毒实验结果表明,与野生型的CD163-R561 PAMs相比,CD163-R561A PAMs 对PRRSV的易感性显著降低。以上研究结果表明,CD163的第523位到562位氨基酸中含有介导PRRSV感染的必需氨基酸残基,CD163 R561参与了PRRSV的感染过程,但它不是感染所必需的。这些位点可以作为了解PRRSV感染机制的新靶点,CD163-R561A猪也可作为培育抗PRRSV猪群体的育种材料。
外源基因在转基因动物和细胞中稳定、高效的表达,对于基因功能的研究和生物反应器的建立至关重要。动物基因组中的友好基因座能使外源基因高效稳定的表达且无副作用,但目前猪基因组中可供外源基因安全、高效定点整合的基因座相对较少,限制了多转基因猪的研究和发展。本研究提出了一种将猪I型胶原α1链(collagen type I alpha 1 chain,COL1A1)基因座作为友好基因座表达外源基因的新策略。利用CRISPOR软件设计了一对靶向COL1A1基因终止密码子的sgRNA,并连接到CRISPR/Cas9表达载体pX330中;同时合成了一个不含启动子、左右同源臂各长为900 bp的2A-GFP供体载体,然后共转染猪肾上皮细胞(porcine kidney epithelial,PK15),胎儿成纤维细胞(porcine embryonic fibroblast,PEF)以及回肠上皮细胞(porcine intestinal epithelial,IPI-2I)3种细胞。电转染48 h后观察3种细胞的荧光情况,72 h后通过流式细胞术分选绿色荧光蛋白阳性的细胞,并通过荧光定量、蛋白质印记、转录组测序和CCK8实验在不同水平上评估COL1A1基因作为猪基因组外源基因定点整合位点的安全性。结果表明,共转染sgRNA和供体载体之后,可以分别在猪3种不同细胞中观察到绿色荧光,说明同源重组介导的定点整合系统可以在猪基因组中很好的发挥作用。qPCR结果显示,GFP敲入对3种细胞COL1A1基因mRNA的表达并无显著影响(PK15、PEF和IPI-2I细胞中的P值分别为0.29、0.66和0.20)。同样,蛋白质印记结果显示,GFP阳性细胞与野生型细胞COL1A1蛋白的表达并无显著差异(PK15、PEF和IPI-2I细胞中的P值分别为0.64、0.48和0.80)。转录组测序结果显示,GFP阳性PEF细胞与野生型PEF细胞的转录组显著正相关(P<2.2e-16),表明GFP敲入没有改变内源性基因的整体表达。CCK8实验表明,GFP敲入对PK15细胞增殖并无显著影响(24 h,48 h,72 h,96 h,120 h的P值分别为0.31,0.96,0.24,0.17和0.38)。上述结果表明,COL1A1基因可作为猪基因组中外源基因定点整合的友好基因座,可广泛应用于家畜育种和生物医学模型的建立。本研究首次鉴定出了COL1A1基因可以作为猪基因组中的友好基因座。