畜牧兽医学报  2023, Vol. 54 Issue (1): 69-79. DOI: 10.11843/j.issn.0366-6964.2023.01.007    PDF    
CRISPR/Cas9系统在寄生原虫基因编辑中的应用
邓敏儿, 李娜, 郭亚琼, 冯耀宇, 肖立华     
华南农业大学, 岭南现代农业科学与技术广东省实验室, 广州 510642
摘要:原虫生活史复杂,大部分难以通过体外培养完成整个生活史,缺乏高效的基因编辑系统。CRISPR/Cas9系统可以通过人工设计的方式,实现基因的精确、高效、快速编辑,被广泛应用于基因工程各个领域。CRISPR/Cas9系统为原虫的未知功能基因研究开辟了新途径。本文介绍CRISPR/Cas9系统的原理和目前在寄生原虫中的基因定位、基因功能研究、高通量基因家族筛选等方面的应用。
关键词CRISPR/Cas9    基因编辑    寄生虫    原虫    
Application of CRISPR/Cas9 System on Gene Editing of Parasitic Protozoa
DENG Min'er, LI Na, GUO Yaqiong, FENG Yaoyu, XIAO Lihua     
Guangdong Laboratory for Lingnan Modern Agriculture, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
Abstract: Protozoa have complex life cycle and most of them can not complete the life cycle just in vitro. As a result, most of them lack an effective gene editing system. The CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeat)/Cas9 (endonuclease) system facilitates the precise, efficient, and rapid genetic editing through homologous recombination, and is widely used in genetic modification of eukaryotic organisms. The CRISPR/Cas9 system opens up a new avenue for targeted investigation of gene functions in protozoans. This article introduces the principle of the CRISPR/Cas9 system and its major applications in gene tagging and depletion and genome-wide screening of functional gene families in parasitic protozoan.
Key words: CRISPR/Cas9    genetic editing    parasite    protozoa    

原生动物包含许多人兽共患和重大动物疫病寄生虫,严重影响人类和动物健康。由于生活史复杂,不少寄生虫缺乏完成整个生活史的体外培养技术,原虫的功能基因组学和分子生物学研究因此受阻。1993年,弓形虫[1-2]和疟原虫[3]被报道可以利用同源重组实现报告基因的表达,此后其他原虫的反向遗传学工作平台也逐步建立。最近20年,原虫的反向遗传学研究取得长足进展。通过设置同源臂的方法,同源重组技术为原虫的基因定位、功能研究、抗原筛选等研究提供有力支持[4]。但同源重组的基因编辑系统存在转染效率较低、需要的同源臂较长、筛选过程时间长的问题。有的原虫(如隐孢子虫)基因组小,缺乏同源重组修复系统,较难开发同源重组基因编辑体系。

CRISPR(成簇的规则间隔的短回文重复序列)是在细菌和古细菌中发现的一种天然存在的适应性免疫系统,其作用是破坏噬菌体和质粒等外源DNA序列[5-7]。最早研究的源自化脓链球菌的Cas9蛋白(SpCas9,最初被命名为CSN1)是目前最常用的Cas9蛋白。此外,2017年报道源自金黄色葡萄球菌的SaCas9蛋白在克氏锥虫基因编辑中达到几乎100%的基因敲除效率。2012年2个实验室的工作证明优化后的CRISPR/Cas9系统可用于生物的基因编辑,并将该系统工作所需的2条RNA进一步简化为一条向导RNA(gRNA),实现人工设计靶向不同基因区域的gRNA和Cas9蛋白,完成定向高效的DNA双链切割[6-7]。CRISPR/Cas9系统被《Science》杂志评选为2013年度最重要的科学突破之一,自应用以来在生命科学领域大放异彩,在寄生虫研究上也从疟原虫和弓形虫,逐步推广到在利什曼原虫、隐孢子虫和艾美耳球虫等的应用。CRISPR/Cas9系统在人工设计的前提下,完成定向DNA双链断裂(DSB),供体的模板质粒只需更短的同源臂,即可完成准确高效的基因编辑。该系统还可针对多基因家族[8],利用少量的gRNA完成高通量全基因组筛查工作,是寄生虫的基因功能研究强有力的工具。本文将从CRISPR/Cas9系统的工作原理和目前在寄生原虫中的主要应用进行介绍。

1 CRISPR/Cas9系统工作原理

在CRISPR/Cas9系统出现之前,原虫的基因编辑主要通过同源重组的方式实现。将带有一定长度(一般至少400 bp)同源臂的目的基因的质粒转入寄生虫,利用同源重组让目的基因插入原虫基因组同源臂中,从而实现基因编辑[9]。该方法所需时间长,转染效率低(双质粒共转染的效率更低),药物筛选耗时较长,一般只能进行单基因的研究。

CRISPR/Cas9系统分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型,其中Ⅲ型在基因编辑上应用最广泛——主要通过Cas9蛋白对目标DNA双链切割。2013年,CRISPR/Cas9系统被简化为只需要Cas9蛋白和20 bp的gRNA即可完成定向DNA编辑[6-7]。CRISPR/Cas9系统工作原理及修复机制如图 1所示,其中DNA双链断裂修复主要通过3个机制:1)同源直接修复(homologous direct repair,HDR)。当存在具有断裂位点上下游同源臂的DNA时,以此为模板进行修复。2)非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)。当缺少供体模板时,在两个断口直接连接。3)微同源末端连接(microhomology-mediated end joining,MMEJ)。利用微同源小片段切除非同源的单链DNA,断口处直接连接。

图 1 CRISPR/Cas9系统工作原理及修复机制 Fig. 1 Principle and repair mechanism of the CRISPR/Cas9 system

除常用的电转含有Cas9和gRNA质粒的方法外,还可以将Cas9蛋白和gRNA复合物直接转入寄生虫体内。后者在克氏锥虫中达到转染效率接近100%的效果[10]。CRISPR/Cas9系统显著提高原虫的转染效率,并且可通过建立gRNA文库的方式,完成双基因、甚至多基因的研究,为多基因家族功能研究提供高通量快速筛查的高效准确工具。

2 CRISPR/Cas9系统在原虫中的应用

寄生原虫基于CRISPR/Cas9的基因编辑技术开展较早,可追溯到20世纪80年代末、90年代初[1-3, 11-16]。2014年Shen等[17]和Zhang等[18]分别将CRISPR/Cas9技术引入弓形虫和克氏锥虫的反向遗传学研究,自此CRISPR/Cas9系统逐渐在研究原虫的基因定位、基因敲除、基因家族高通量筛选等方面崭露头角[19-60](部分原虫基因编辑技术发展情况见图 2)。与传统的同源重组技术相比,CRISPR/Cas9系统不仅具有转染效率更高、周期更短、准确性更高等优点,并且可在较短的时间内对同源性高的基因家族进行高通量筛选。此外,CRISPR/Cas9系统可结合多种反向遗传学研究策略,如利用CRISPR/Cas9系统标记关键基因[19]、结合类植物生长素诱导条件性降解系统(auxin-inducible degron,AID)[20]研究必需基因的功能和表型、利用改良的CRISPR/dCas9系统进行表观遗传学研究[21-22]等,显著扩展其应用领域,为假定基因的功能研究提供高效工具。

月亮、太阳和星星标记分别代表瞬时转染、稳定转染和CRISPR/Cas9技术[1-3, 9, 11-13, 15-19, 23-24, 49-63] Moon, sun, and star shapes indicate transient, stable transfection, and CRISPR/Cas9-based editing, respectively[1-3, 9, 11-13, 15-19, 23-24, 49-63] 图 2 部分原虫基因编辑技术发展时间线 Fig. 2 Timeline of the development of genetic manipulation methods in some parasitic protozoa
2.1 疟原虫

2014年,2个研究团队分别报道了CRISPR/Cas9系统在疟原虫上的应用。Wagner等[23]利用T7 RNA聚合酶产生的sgRNA和Cas9蛋白对恶性疟原虫的基因组进行编辑,分别靶向富含组氨酸的疣状突起相关蛋白基因(kahrp)和红细胞结合抗原175基因(eba-175),证实该系统在恶性疟原虫上具有较高的基因编辑效率(50%~100%)。恶性疟原虫缺乏NHEJ途径,CRISPR/Cas9系统可显著提高疟原虫的基因编辑效率。

同年,Ghorbal等[24]同样构建对恶性疟原虫基因编辑的CRISPR/Cas9系统,利用Cas9质粒及含sgRNA和人二氢叶酸还原酶药筛基因(hdhfr)的供体模板质粒共转染的方案,敲除表达绿荧光的NF54株的egfp基因。此时Cas9蛋白为瞬时表达。3周内得到的WR耐药虫株PCR和荧光检测均证实egfp基因被成功敲除。供体模板质粒线性化后转染,证实与环形质粒几乎一致的转染效率,而且具有转染4 d后线性化模板自动丢失的优点,避免供体模板对整合效果检测的影响。除了靶向egfp基因,同样的方案应用在内源性的非必需基因kahrp上得到了相似的效果。后续研究利用该系统对orc1基因完成不带标签的定点突变,发现基因敲除的克隆株具有青蒿素抗性。

CRISPR/Cas9系统作为强大的基因编辑工具,为疟原虫的基因编辑研究提供有力支持。如2015年Nacer等[25]利用该系统鉴定PfVAP1(毒力相关蛋白1)是恶性疟原虫细胞黏附的关键因素。Mogollon等[26]2016年改良Ghorbal等团队的研究方法,重新设计sgRNA和供体质粒,证实PfVAP1在FCR3疟原虫的黏附过程中的作用。Bryant等[27]在2017年使用该系统完成恶性疟原虫var2csa基因编辑,发现缺失内含子不影响该基因对正常调控。2019年Xiao等[22]应用改良的CRISPR/dCas9系统对寄生虫入侵相关基因的转录进行表观遗传调控,并证明dCas9可以将融合的表观遗传调节因子[如组蛋白乙酰转移酶(HAT)或去乙酰化酶(HDAC)结构域],完成恶性疟原虫基因过表达或转录敲低。同年Mohring等[28]实现CRISPR/Cas9系统在诺氏疟原虫基因组编辑上的应用,但存在同源重组修复效率低的问题。2021年Boltryk等[29]报道利用CRISPR/Cas9建立NF54诱导的配子体产生虫株,实现大规模同步产生定向分化的配子体,为疟疾传播阶段研究提供宝贵工具。

2.2 弓形虫

弓形虫具有较为成熟且容易的体外培养和遗传研究系统,突变诱导、基因标记、基因敲除和基因替换等较其他原虫容易[8]。同时弓形虫具有活跃的NHEJ途径,DNA随机整合效率高,因此降低同源重组的精确性。

Shen等[17]早在2014年对CRISPR/Cas9系统进行改造,将含有靶向尿嘧啶磷酸核糖转移酶(UPRT)基因的sgRNA和Cas9-NLS-GFP的质粒电转入Ⅰ型RH株中,有20%~30%的弓形虫为Cas9-GFP阳性。UPRT失活可产生氟脱氧核糖(FUDR)抗性,故FUDR耐药性的噬斑试验证实约有10%的Cas9-GFP阳性弓形虫UPRT失活。FUDR耐药的单克隆虫株目标区域的基因测序结果证实UPRT存在短缺失或插入突变。重复上述转染试验时共转包含乙胺嘧啶耐药基因DHFR的供体质粒,同时用乙胺嘧啶筛选,观察到70%~100%的乙胺嘧啶抗性寄生虫同样抗FUDR。乙胺嘧啶抗性虫株的单克隆的PCR结果证实超过45%的虫株为DHFR的正确整合,说明该系统能有效增强gRNA靶向区域的局部重组,提高基因敲除频率。改变供体质粒后重复试验,成功删除UPRT基因,说明该系统可同样应用于较大基因区域的敲除。为研究该系统是否与同源重组的基因编辑相同、存在需要相对较长同源臂的局限性,该团队将长同源区域(750~900 bp)、20 bp侧翼区域和缺乏同源性的dhfr的靶向效率做比较,发现三者均显示高于50%的正确整合效率,表明该系统可用于提高特定位点的非同源整合效率。该团队用靶向丝氨酸苏氨酸激酶(ROP18)的质粒对Ⅰ型的GT1株的敲除及敲除虫株的回补试验,证实该系统可广泛地应用于弓形虫基因编辑。2017年该团队优化CRISPR/Cas9系统,通过引入突变降低Cas9蛋白毒性,并提供弓形虫CRISPR/Cas9系统应用操作指南[30]

Sibley团队在2017年报道2篇CRISPR/Cas9系统和类植物生长素诱导的降解因子(AID)系统在弓形虫基因功能研究中的应用:Long等[31]检测类钙调蛋白(CaM)的功能,证实CaM与肌凝蛋白(MyoH)共定位,且与弓形虫入侵密切相关;Brown等[32]检测蛋白激酶(PKGs)的功能,证实PKG Ⅰ为弓形虫生长必需蛋白,而PKG Ⅰ存在的前提下,PKG Ⅱ为弓形虫的非必需蛋白。

Sidik等[33]在2014年构建包含靶向速殖子表面蛋白基因(sag1)的嵌合体RNA(chiRNA)和带flag标签带Cas9蛋白的质粒。在未经筛选的情况下,RH株的sag1敲除效率约为20%。用缺少NHEJ修复机制的ΔKU80株重复上述试验,寄生虫数量与RH株相比减少10倍,而转染效率相当。根据转染替换Cas9成dhfr的相似质粒的2种虫株的噬斑试验对比,进一步证明弓形虫在DNA双链断裂后依赖NHEJ修复。该研究还利用较短的同源臂(40 bp)定点插入模板DNA,实现对内源性基因cdpk3的标记。该团队在2016年设计gRNA文库,对弓形虫基因组进行高通量筛选[8]

Cas9蛋白在弓形虫中存在内在毒性,传代过程中该基因频繁丢失,Markus等[34]在2019年发现优化表达载体和gRNA的设计能显著降低Cas9蛋白的毒性,认为gRNA同时具有基因组靶向、促进Cas9蛋白的整合和降低Cas9毒性、提高适应性的功能。

CRISPR/Cas9系统在弓形虫研究中应用以来,已成为弓形虫高通量筛选[8, 35-37]、基因功能验证[38-39]、致病机制[40-41]、免疫互作[35, 42-44]、代谢分析[45]、药物机制[36, 46]、疫苗开发[47]等研究必不可少的工具,并在此基础上开发的AID系统[20]、转录抑制(基因条件性敲低)[48]等新工具,为寄生虫研究提供更广阔的研究前景。

2.3 艾美耳球虫

Tang等[57]报道CRISPR/Cas9系统在柔嫩艾美耳球虫高效基因编辑的应用。首先通过瞬时转染His4启动子介导的含有黄荧光基因(yfp)标记的Cas9质粒进入子孢子,体外培养24 h观察到球虫细胞核发黄荧光,证实His启动子介导的Cas9基因可在细胞核内表达。然后构建靶向黄荧光基因的sgRNA的质粒转染已有同时发黄荧光和红荧光的EtER虫株,在CRISPR/Cas9系统作用下,转染成功的球虫内因为黄荧光基因发生断裂而失去黄荧光。经过4次传代和流式细胞术筛选,发现黄荧光阳性比例减少到89.5%,说明缺少供体质粒的情况下,球虫偏向于利用NFEJ途径进行自我修复。另外还构建靶向mic2基因末端的sgRNA质粒和带有红荧光基因和药筛基因的供体质粒,对野生型球虫子孢子共转染,并利用PCR和IFA进行验证。试验证明CRISPR/Cas9系统可用于球虫内源性基因和外源性基因的基因编辑,但效率远低于弓形虫或疟原虫,推测可能是双质粒共转染或转染效率低所致。

Hu等[19]利用同源重组技术成功构建在生活史各阶段均能稳定表达Cas9蛋白的柔嫩艾美耳球虫株。该虫株转染不同sgRNA质粒,能进行高效的球虫单基因编辑。向该虫株转染含有靶向外源的黄荧光基因的sgRNA的质粒,证实该系统切割效率可达29%。接着转染针对内源性蛋白EtGRA9的sgRNA和供体质粒,为EtGRA9加上荧光标记,在共聚焦显微镜下发现EtGRA9标记信号存在于囊泡中而不是致密颗粒中,说明EtGRA9属于分泌蛋白。同时设计靶向AP2家族33个基因的sgRNA,经过6次转染试验,发现只有10个AP2家族的基因被靶向破坏,其中可检测9个gRNA(另一个有效读数较低,表明破坏该基因引起虫体生长缺陷)。该试验证明球虫AP2家族中,23个基因在球虫生长繁殖必不可少,为球虫AP2家族研究奠定基础,也证明该工具虫株可以对球虫进行高效的单基因编辑。

2021年Cheng等[64]报道FnCas12a/crRNA和RNP技术可用于柔嫩艾美耳球虫的基因编辑。该团队成功靶向组蛋白H4基因导致其DNA双链断裂,另外还利用eYFP标记内源性EtActin蛋白,观察不同时期肌动蛋白的定位情况。同年Mohsin等[65]报道体外试验中Cas9 mRNA与sgRNA结合可降低卵囊的孢子化率和存活率,为抗球虫试剂研发提供新思路。

2.4 锥虫

克氏锥虫由于缺少RNAi的机制,故在功能遗传学研究中受到限制。因此,克氏锥虫的研究需要更强大的反向遗传学研究工具。

2014年Peng等[49]报道CRISPR/Cas9系统在克氏锥虫的首次应用。构建稳定表达绿荧光(GFP)和Cas9(源自化脓链球菌)的虫株后,再分别转入3种靶向gfp的sgRNA。在没有模板的情况下,克氏锥虫的Cas9诱导的DSB的修复缺乏NHEJ途径,只能通过MMEJ进行,产生各种大小的基因缺失。在提供模板tomato标记的情况下,CRISPR/Cas9的基因编辑效率比仅用模板质粒的同源重组方式更高。除外源性基因gfp的破坏外,还利用CRISPR/Cas9分别成功敲除内源性的α-微管蛋白基因、组氨酸裂合酶(HAL)基因和脂肪酸转运蛋白(FATP)基因。此外,还利用CRISPR/Cas9系统对同源性高的多基因家族进行研究,仅设计3个sgRNA即可靶向β-半呋喃糖基糖基转移酶(GAL)家族的65个基因,3次转染后,63%的gal基因获得至少1个靶位点突变,显著敲低该酶基因家族的表达,且未观察到脱靶现象。最后,该研究利用靶向Cas9的sgRNA对Cas9基因破坏,挽救表达Cas9的虫株生长缺陷。上述研究证明CRISPR/Cas9系统可快速高效敲除单拷贝或多拷贝基因,但存在虫株生长速度慢和Cas9活性随时间降低的问题。

Lander等[66]在2015年报道CRISPR/Cas9编辑系统对鞭毛杆蛋白1和2敲除研究,试验结果亦反映出该系统存在药物筛选时间长(数周)和无法研究必需基因的问题。

Soares等[10]在2017年采取源自金黄色葡萄球菌(SaCas9)的Cas9蛋白和gRNA复合物电转的方式,建立接近100%转染效率的克氏锥虫快速基因编辑的系统。首先利用SaCas9/eGFP sgRNA复合物对表达绿色荧光的克氏锥虫进行转染,7 d即达到超过97%寄生虫的敲除,且对照组gfp自发损失极小。其中基因敲除效率与gRNA选择、RNP复合物浓度及电转次数有关。接着构建具有SaCas9-egfp/gRNA复合物,该复合物大小与SpCas9大致相同且具有Cas9活性,用SaCas9-egfp复合物转染低于7%,远低于SaCas9/gRNA复合物转染效率(大于75%),证实转染SgCas9/gRNA复合物无法进行基因敲除与Cas9-RNP较大有关。通过分别转染不同品系和生活史阶段的锥虫,证实SaCas9/gRNA复合物可转染锥鞭毛体,转染不同表型和基因型的虫株效率相当。单次转染靶向2个基因的RNP复合物,单敲除效率可高达90%,双敲除效率为55%。利用含有终止密码子的修复模板和RNP,可以使galf这类克氏锥虫必需单基因敲除时完成单等位基因敲除。利用RNP和修复模板分别对NTR和CYP进行敲除,再用对应的抗性药物处理,发现RNP介导的必须基因敲低可应用于寄生虫药物基因的研究。此外,还可以用RNP和携带表达标签(如HA)的修复模板对内源性基因标记,在标记的抗体染色和流式细胞术的配合下不需药物筛选,快速高效完成内源基因标记。SacCas9/sgRNA复合物可同样适用于布氏锥虫和利什曼原虫的研究。同年,Beneke等[67]报道建立稳定表达Cas9蛋白的布氏锥虫虫株,结合PCR扩增产物可用于基因高效快速的编辑。该技术亦可应用于利什曼原虫反向遗传学研究:该团队利用CRISPR/Cas9建立鞭毛突变体文库[68],研究利什曼原虫鞭毛蛋白组功能和真核生物的鞭毛运动。

CRISPR/Cas9基因编辑技术在克氏锥虫上成功应用,极大加快锥虫反向遗传学研究进展。1993年用传统基因编辑技术成功敲除克氏锥虫[12],此后20年仅20篇关于克氏锥虫的基因编辑报道。自CRISPR/Cas9基因编辑技术成功应用后至今,克氏锥虫完成基因编辑的基因超过67个[69]

2.5 利什曼原虫

Zhang等[18]在2015年利用杜氏利什曼原虫的rRNA启动子和肝炎三角洲病毒(HDV)核酶构建gRNA表达载体,与Cas9蛋白转入杜氏利什曼原虫中,靶向米替福新(MLF)转运蛋白(LdMT)。LdMT的两个等位基因均突变时,寄生虫表现为MLF耐药。从MLF耐药率可以看出,含有HDV核酶的gRNA质粒让gRNA质粒转染效率从0.5%增至12%。对转染后表现MLF耐药的利什曼原虫进行测序,发现利什曼原虫以MMEJ而不是NHEJ途径修复DSB。对比转染含有终止密码子的模板质粒,发现转染效率提高2~6倍,说明HDR途径可以显著改善定点插入的基因编辑能力。用该系统将ble基因定点替换Ldbpk_241510.1基因(一种多药抗性蛋白样基因),博来霉素药物筛选的阳性虫株的PCR结果证明该系统可以定点插入外源蛋白和敲除非必需基因。用同样的方法靶向必需基因TOR1基因时,发现转染效率较低,并只能破坏其中一个等位基因,说明该系统能部分敲除利什曼原虫的必需基因。还利用该系统成功在LdMT蛋白的基因位点加上gfp标签,以精确标记内源性基因。最后,该研究利用锤头核酶和HDV核酶构建效率更高的双gRNA表达载体,提高利什曼原虫基因编辑效率。2017年该团队优化原有基因编辑技术,构建Cas蛋白和gRNA共表达载体,成功对杜氏利什曼原虫、硕大利什曼原虫及墨西哥利什曼原虫完成基因编辑,并且利用多靶向gRNA实现对杜氏利什曼原虫AP2家族的11个基因敲除[70]

Sollelis等[51]在2015年构建稳定表达Cas9的硕大利什曼原虫株(命名为M756株),再向M756株转入同时包含靶向鞭毛杆2基因pfr2(位于鞭毛杆,属于非必需基因)的gRNA和作为供体的DHFR-Ts药筛基因。PCR和FISH检测结果表明,转染后的M90株属于阳性和阴性虫株混合群体。从M90株筛选的8个克隆种,2个克隆被鉴定为成功转染的虫株。为分析CRISPR/Cas9系统的脱靶效应,接着对2个阳性克隆株进行全基因组测序,软件评估出的排名前十的潜在脱靶位点的20 nt内均未发现插入缺失标记,证明未出现脱靶现象。

虽然RNAi技术在利什曼原虫中已有广泛应用,但CRISPR/Cas9系统亦可作为与之互补的基因编辑工具,二者为不同目的和应用的研究提供重要技术支持。2019年Shrivastava等[71]利用CRISPR/Cas9系统建立LeishIF4E-3(+/-) 突变体,该突变体对巨噬细胞的感染性严重降低,且形态发生改变。2021年Baker等[72]用mNeonGreen荧光蛋白标记蛋白激酶以进行定位研究,同时建立ePK以及PIKK两种蛋白激酶突变虫株,评价蛋白激酶调节寄生虫的复制、分化等的作用。

2.6 隐孢子虫

Vinayak等[53]在2015年报道CRISPR/Cas9系统在微小隐孢子虫的应用,该团队在2017年提供隐孢子虫转基因技术的详细试验方法[73]。首先在感染HCT-8细胞体外培养的条件下,利用同源重组将荧光素酶基因(nluc)插入烯醇酶基因(一种持家基因)后,利用荧光强度作为寄生虫计数指标。向野生虫株转染nluc缺陷质粒(在nluc基因中插入终止密码子),在转染靶向nluc缺陷片段的gRNA和一小段DNA双链模板后表达荧光,证实CRISPR/Cas9系统可应用在微小隐孢子虫的基因编辑研究。为提高转染效率,选择氨基糖苷磷酸转移酶NEO(对巴龙霉素有抗药性)作为药筛基因,通过Nluc-Neo融合表达的方式,在巴龙霉素作用下筛选转染的寄生虫。通过对比试验可以发现,同时共转Nluc-Neo和Cas9质粒的寄生虫排卵囊量迅速恢复到与无药野生型组小鼠相似水平,而只转染Nluc-Neo或nluc的小鼠逐步被巴龙霉素治愈,这说明CRISPR/Cas9系统基因编辑效率高于同源重组。对小鼠传代后的Nluc-Neo的寄生虫分别加巴龙霉素进行小鼠体内培养和细胞体外培养,小鼠传代与野生型虫株排卵囊量对比,可明显看出Nluc-Neo虫株对巴龙霉素耐药,免疫印迹、IFA和荧光素试验均证实转染虫株是稳定的转基因虫株。同时,因为微小隐孢子虫具有两条合成dTMP的途径,其中一条为TK酶利用EdU合成dTMP。因此设计针对tk基因的gRNA和Nluc-Neo作为报告基因的供体模板,对隐孢子虫的内源性基因tk完成敲除。该报道中还优化电转程序和缓冲液体系,达到提高10倍电转效率的效果。此外,该团队根据基因组测序结果认为隐孢子虫缺少非同源末端连接的DNA修复途径,在使用CRISPR/Cas9系统时,必需要提供供体DNA。2020年该团队在双环氮杂环丁烷治疗隐孢子虫病的研究中,利用CRISPR/Cas9系统在隐孢子虫中插入苯丙氨酰-tRNA合成酶基因(pheRS基因)并使之产生药物抗性,证实苯丙氨酰-tRNA合成酶被鉴定为双环氮杂环丁烷的靶标[74]。同年,Choudhary等[75]报道基于大肠杆菌二氢叶酸还原酶降解结构域(DDD) 和甲氧苄啶(TMP)和CRISPR/Cas9系统建立第一个隐孢子虫条件性敲降技术,并完成cdpk1基因进行条件性敲除,有助于隐孢子虫的必需基因功能研究。

2021年Xu等[76]在INS1蛋白功能研究中使用CRISPR/Cas9系统标记或敲除ins1基因,发现INS1蛋白参与大配子体形成或成熟。同年,Hasan等[77]利用CRISPR/Cas9系统对隐孢子虫耐药性进行研究。该团队证实Cp MetRS合成酶发生突变后隐孢子虫能正常生长并对MetRS抑制剂2093药物产生抗性。

2.7 其他原虫

CRISPR/Cas9系统在新孢子虫(Neospora caninum)的应用首次报道出现在2018年。Arranz-Solís等[63]首次在犬新孢子虫利用CRISPR/Cas9系统实现基因编辑,另外Nishikawa等[78]在同年也报道应用CRISPR/Cas9系统进行犬新孢子虫NcGRA7蛋白的敲除及功能鉴定。前者报道中利用原本用于弓形虫的质粒系统,成功应用于新孢子虫研究。该研究一方面设计2个针对Nc-1-GFP表达虫株中的GFP蛋白的gRNA,实现外源基因的敲除;另一方面针对新孢子虫的gra7基因设计2个gRNA及相应的供体质粒,完成内源基因gra7的敲除。此外,该团队证实CRISPR/Cas9系统可应用于犬新孢子虫的基因编辑。该团队在2022年报道弓形虫的生长素诱导条件性降解系统(AID)可在新孢子虫中成功应用[79]

2019年Hakimi等[60]利用单个表达Cas9、gRNA和供体模板DNA的质粒,成功用于牛巴贝斯虫(Babesia bovis)的基因编辑。该团队用单质粒系统对牛巴贝斯虫SBP3蛋白末端融合表达myc标签实现蛋白定位,并在感染巴贝斯虫的红细胞表面呈现斑块状染色。该报道还设计针对细胞质抗氧化酶过氧还蛋白基因tpx-1实现单质粒的点突变,将49位的过氧化半胱氨酸突变为丝氨酸。另外,该团队还构建敲除tpx-1基因并替换为gfp基因的虫株。通过tpx-1的突变株和敲除株与原有的野生型的对比发现,前两者均表现出对药物硝普钠(SNP)敏感的特性。

3 展望

CRISPR/Cas9系统可以对单基因甚至多基因进行高效、精确和快速的编辑,但在寄生原虫基因编辑的应用上仍存在部分问题。第一,CRISPR/Cas9系统应用时可能存在脱靶效应,应进一步完善gRNA的设计方法,在试验过程中注意对潜在脱靶位点的检查。第二,Cas9蛋白较大,整合到寄生虫基因组中较为困难,对于寄生虫稳定表达Cas9蛋白带来挑战。第三,Cas9蛋白对寄生虫有一定毒性,如克氏锥虫的Cas9蛋白表达株存在生长缺陷[49],弓形虫表达的Cas9蛋白自发丢失[34]。可在表达Cas9蛋白的同时加入“陷阱sgRNA”的方式降低毒性[34],或对Cas9蛋白优化,选择更高效安全的Cas9蛋白(如金黄色葡萄球菌的Cas9蛋白[10])。第四,与疟原虫和弓形虫相比,隐孢子虫、球虫等部分原虫可用转基因虫株筛选的抗性基因较少,限制转染效率的提高及基因编辑策略的发展。

CRISPR/Cas9系统在基因编辑应用的不到十年里中,已经在生命科学领域占有重要地位。除了高效的单基因编辑、精确的点突变外,在弓形虫等原虫中出现利用不同策略实现多基因家族编辑、全基因组编辑筛选的报道,展示CRISPR/Cas9系统功能的多样性。虽然仍存在上述的问题,但相信通过科研人员的努力,将来CRISPR/Cas9系统可作为高效便捷的遗传操作工具,可应用在多种寄生性原虫的基因家族功能研究、全基因组功能分析、数量性状研究、药物筛选与耐药基因研究、表观遗传学调控等深入研究之中,并具有应用在往日较难开展反向遗传学操作的寄生性原虫中的潜力,可以为原生动物的反向遗传学、基因功能和疫苗开发等研究提供强有力的技术支持,有望在寄生性原虫的基础研究与防控开展上大放异彩。

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(编辑   白永平)