ACS Synthetic Biology | 開發(fā)人體腸道擬桿菌的基因組編輯新工具
北京時(shí)間2022年1月6日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院戴磊課題組在ACS Synthetic Biology上發(fā)表了針對人體腸道厭氧菌擬桿菌屬基因編輯最新研究成果，題為《CRISPR/Cas-based genome editing for human gut commensal Bacteroides species》。該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了針對腸道擬桿菌屬細(xì)菌的CRISPR/Cas-based基因編輯方法。該方法突破了傳統(tǒng)方法在編輯效率、基因簇刪除和多基因編輯方面的瓶頸，為進(jìn)一步理解腸道微生物組以及擬桿菌活菌藥物的開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，具有編輯效率高、可進(jìn)行流程化操作和無篩選標(biāo)記基因編輯的特點(diǎn)。
團(tuán)隊(duì)成員鄭靈剛和譚揚(yáng)為共同第一作者，該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃合成生物學(xué)重點(diǎn)專項(xiàng)青年科學(xué)家項(xiàng)目（No.2019YFA0906700）與深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的資助。
論文上線截圖
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssynbio.1c00543
腸道擬桿菌屬是腸道中豐度最高的細(xì)菌之一（如圖1所示），被視為研究腸道微生物組的“窗口”。
圖1：腸道組織樣本中含熒光蛋白的不同擬桿菌成像（Whitaker et al, Cell 2017）
擬桿菌屬與多種疾病相關(guān)，比如肥胖，炎癥性腸病和結(jié)直腸癌等，其中多形擬桿菌和脆弱擬桿菌最為受到關(guān)注。基因組編輯工具對于研究腸道共生微生物的功能至關(guān)重要。因此，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了針對人體腸道擬桿菌的多功能、高效的 CRISPR/Cas 編輯工具（如圖2所示）。
圖2：擬桿菌的CRISPR/Cas編輯工具
該團(tuán)隊(duì)在擬桿菌屬中測試了不同的CRISPR/Cas系統(tǒng)。主要評估了啟動子，Cas蛋白（SpCas9，SpRY，和FnCas12a），gRNA等元件，以及不同質(zhì)粒的系統(tǒng)對于擬桿菌屬基因編輯的影響。并發(fā)現(xiàn)在多形擬桿菌中采用正常組成型啟動子表達(dá)Cas蛋白，CRISPR/Cas系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)編輯，但是使用誘導(dǎo)型啟動子表達(dá)Cas蛋白，均可以實(shí)現(xiàn)基因編輯；其中FnCas12a效果最好。基于此，團(tuán)隊(duì)測試該系統(tǒng)在多形擬桿菌中可以實(shí)現(xiàn)5kb、10kb、48kb基因簇片段的刪除和外源基因GFP的高效插入。此外，也可通過在無篩選標(biāo)記的培養(yǎng)基中傳代，進(jìn)行含有篩選標(biāo)記的質(zhì)粒的丟失，實(shí)現(xiàn)獲得“無篩選標(biāo)記（markerless）”的突變株（如圖3所示）。
圖3：對多形擬桿菌的基因組進(jìn)行靶向刪除和插入
除此之外，該系統(tǒng)也可以在卵形擬桿菌（Bo），脆弱擬桿菌（Bf），普通擬桿菌（Bv），和單形擬桿菌（Bu）實(shí)現(xiàn)高效率的基因刪除。（如圖4所示)
圖4：對不同擬桿菌物種的基因組進(jìn)行編輯
與之前針對擬桿菌屬基因基因遺傳操作工具相比，該團(tuán)隊(duì)基于CRISPR/Cas系統(tǒng)的工具極大的提高了擬桿菌屬基因編輯的效率，同時(shí)也更容易實(shí)現(xiàn)無篩選標(biāo)記突變株的獲得。高效、精準(zhǔn)的基因組編輯方法對于解析腸道微生物組的功能、開發(fā)工程腸道益生菌都是不可或缺的工具。
PI與課題組簡介：
戴磊博士，研究員，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所，合成微生物組學(xué)研究中心主任。國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，入選《麻省理工科技評論》中國區(qū)“35歲以下科技創(chuàng)新35人”。
戴磊課題組的主要研究方向?yàn)?/font>宿主共生微生物組的生態(tài)和進(jìn)化。運(yùn)用定量生物學(xué)、合成生物學(xué)的工具，對微生物組的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行精準(zhǔn)解析和調(diào)控，致力于解決人體健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等重大問題。
擬招聘具有微生物學(xué)、合成生物學(xué)、生物信息學(xué)等相關(guān)研究背景博士后1-2名，客座學(xué)生1-2名。有意申請者請將個(gè)人簡歷以郵件方式發(fā)送至 lei.dai@siat.ac.cn。
實(shí)驗(yàn)室主頁:
http://www.leidailab.cn/
