Seo Jung Park;Seobin Yoon;Eui-Hwan Choi;Hana Hyeon;Kangseok Lee;Keun Pil Kim
BMB Reports
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제56권2호
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pp.102-107
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2023
Genome editing using CRISPR-associated technology is widely used to modify the genomes rapidly and efficiently on specific DNA double-strand breaks (DSBs) induced by Cas9 endonuclease. However, despite swift advance in Cas9 engineering, structural basis of Cas9-recognition and cleavage complex remains unclear. Proper assembly of this complex correlates to effective Cas9 activity, leading to high efficacy of genome editing events. Here, we develop a CRISPR/Cas9-RAD51 plasmid constitutively expressing RAD51, which can bind to single-stranded DNA for DSB repair. We show that the efficiency of CRISPR-mediated genome editing can be significantly improved by expressing RAD51, responsible for DSB repair via homologous recombination (HR), in both gene knock-out and knock-in processes. In cells with CRISPR/Cas9-RAD51 plasmid, expression of the target genes (cohesin SMC3 and GAPDH) was reduced by more than 1.9-fold compared to the CRISPR/Cas9 plasmid for knock-out of genes. Furthermore, CRISPR/Cas9-RAD51 enhanced the knock-in efficiency of DsRed donor DNA. Thus, the CRISPR/Cas9-RAD51 system is useful for applications requiring precise and efficient genome edits not accessible to HR-deficient cell genome editing and for developing CRISPR/Cas9-mediated knockout technology.
Since its first demonstration as a practical genome editing tool in the early 2010s, the use of clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR) along with the endonuclease Cas9 (CRISPR/Cas9) has become an essential choice for generating targeted mutations. Due to its relative simplicity and cost-effectiveness compared to other molecular scissors, i.e., zinc finger nuclease (ZFN) and transcription activator-like effector nuclease (TALEN), the CRISPR/Cas9 system has been shown to have a massive influence on genetic studies regardless of the biological kingdom. Although the system is in the process of being established, numerous protocols have already been released for the system and there have been various topics of CRISPR related papers published each year in ever-increasing manner. Here, we will briefly introduce CRISPR/Cas9 system and discuss the variants of the CRISPR system. Also, their applications to crop improvement will be dealt with mainly ornamental crops among horticultural crops other than Arabidopsis as a model plant. Finally, some issues on the barriers restraining the use of CRISPR system on floricultural crops, the prospect of CRISPR system as a DNA-free genome editing tool with efficient facilitators and finally, the future perspectives on the CRISPR system will be described.
Seok, Heeyoung;Deng, Rui;Cowan, Douglas B.;Wang, Da-Zhi
Clinical and Experimental Pediatrics
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제64권6호
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pp.269-279
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2021
Clustered regularly interspaced short palindromic repeats and CRISPR-associated protein 9 (CRISPR-Cas9) is an ancient prokaryotic defense system that precisely cuts foreign genomic DNA under the control of a small number of guide RNAs. The CRISPR-Cas9 system facilitates efficient double-stranded DNA cleavage that has been recently adopted for genome editing to create or correct inherited genetic mutations causing disease. Congenital heart disease (CHD) is generally caused by genetic mutations such as base substitutions, deletions, and insertions, which result in diverse developmental defects and remains a leading cause of birth defects. Pediatric CHD patients exhibit a spectrum of cardiac abnormalities such as septal defects, valvular defects, and abnormal chamber development. CHD onset occurs during the prenatal period and often results in early lethality during childhood. Because CRISPR-Cas9-based genome editing technology has gained considerable attention for its potential to prevent and treat diseases, we will review the CRISPR-Cas9 system as a genome editing tool and focus on its therapeutic application for CHD.
CRISPR/Cas9 기술은 생명공학을 활용한 신품종 작물육성에 있어 패러다임 변혁을 가져다 줄 핵심 기반기술이다. 본 연구에서는 CRISPR/Cas9를 이용하여 유전자편집기술을 기존에 알려진 방법보다 쉽고 정확하게 실험 할 수 있도록 sgRNA 디자인, 벡터구축, 형질전환체 육성 및 분석 등을 자세히 기술하였다. sgRNA는 http://www.rgenome.net/ 사이트에서 NGG 영역을 중심으로 하여 target-up: 5'-ggcaGNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN-3'과 target-down: 5'-aaacNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNC-3'의 올리고를 디자인하였다. 식물형질전환용 벡터는 pPZP-Cas9-RGEN을 기본으로 하였으며, sgRNA의 프로모터는 OsU3를 이용하여 pPZP::35S::Cas9::PinII-OsU3::sgRNA::Bar-Gen 순으로 구축하였다. 형질전환체의 육성은 단기형질전환 Agrobacterium 법을 사용하였으며 재분화 식물체를 얻는데48일 정도 소요되었다. 형질전환체 유무는 genomic PCR 분석으로 single copy 선발은 TaqMan PCR로 분석하였다. 정밀유전자편집 식물체는 T1 세대에서 T-DNA 삽입되지 않은 식물체를 Bar-strip에 의해 선발하였다. 선발된 식물체의 sgRNA 영역의 염기배열 조사에 의해 유전자 편집 식물체를 육성하였다. 따라서 본 연구에서 CRISPR/Cas9 system에 의한 정밀유전자편집 기술을 이용하여 보다 빠르고 쉽고 경제적으로 유전자가 편집된 개체를 확보할 수 있었다. 본 실험에서 확립된 system은 상업용 식물 계통육성에 이용 가능하여 육종적 가치가 매우 클 것으로 사료된다.
CRISPR interference (CRISPRi) has been developed as a transcriptional control tool by inactivating the DNA cleavage ability of Cas9 nucleases to produce dCas9 (deactivated Cas9), and leaving dCas9 the ability to specifically bind to the target DNA sequence. CRISPR/Cas9 technology has limitations in designing target-specific single-guide RNA (sgRNA) due to the dependence of protospacer adjacent motif (PAM) (5'-NGG) for binding target DNAs. Reportedly, Cas9-NG recognizing 5'-NG as the PAM sequence has been constructed by removing the dependence on the last base G of PAM through protein engineering of Cas9. In this study, a dCas9-NG protein was engineered by introducing two active site mutations in Cas9-NG, and its ability to regulate transcription was evaluated in the gal promoter in E. coli. Analysis of cell growth rate, D-galactose consumption rate, and gal transcripts confirmed that dCas9-NG can completely repress the promoter by recognizing DNA targets with PAM of 5'-NGG, NGA, NGC, NGT, and NAG. Our study showed possible PAM sequences for dCas9-NG and provided information on target-specific sgRNA design for regulation of both gene expression and cellular metabolism.
An, So Young;Kim, Eun-Hee;Bae, Euiyoung;Suh, Jeong-Yong
한국자기공명학회논문지
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제24권3호
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pp.70-76
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2020
The CRISPR-Cas system provides an adaptive immunity for bacteria and archaea against invading phages or foreign plasmids. In the type II CRISPR-Cas system, a single effector protein Cas9 and a guide RNA form an RNA-guided endonuclease complex that can degrade DNA targets of foreign origin. To avoid the Cas9-mediated destruction, phages evolved anti-CRISPR (Acr) proteins that neutralize the host bacterial immunity by inactivating the CRISPR-Cas system. Here we report the backbone 1H, 15N, and 13C resonance assignments of AcrIIA5 that inhibits the endonuclease activity of type II-A Streptococcus thermophilus Cas9 and also Streptococcus pyogenesis Cas9 using triple resonance nuclear magnetic resonance spectroscopy. The backbone chemical shifts of AcrIIA5 predict a disordered region at the N-terminus, followed by an αββββαβββ fold.
The CRISPR-Cas system is the adaptive immune system in bacteria and archaea against invading phages or foreign plasmids. In the type II CRISPR-Cas system, an endonuclease Cas9 cleaves DNA targets of phages as directed by guide RNA comprising crRNA and tracrRNA. To avoid targeting and destruction by Cas9, phages employ anti-CRISPR (Acr) proteins that act against host bacterial immunity by inactivating the CRISPR-Cas system. Here we report the backbone $^1H$, $^{15}N$, and $^{13}C$ resonance assignments of AcrIIA4 that inhibits endonuclease activity of type II-A Listeria monocytogenes Cas9 and also Streptococcus pyogenesis Cas9 using triple resonance nuclear magnetic resonance spectroscopy. The secondary structures of AcrIIA4 predicted by the backbone chemical shifts show an ${\alpha}{\beta}{\beta}{\beta}{\alpha}{\alpha}$ fold, which is used to determine the solution structure.
Song, Jae-Young;Nino, Marjohn;Nogoy, Franz Marielle;Jung, Yu-Jin;Kang, Kwon-Kyoo;Cho, Yong-Gu
Journal of Plant Biotechnology
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제44권2호
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pp.107-114
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2017
Implementation of crop improvement programs relies on genetic diversity. To overcome the limited occurrence of natural mutations, researchers and breeders applied diverse methods, ranging from conventional crossing to classical bio-technologies. Earlier generations of knockout and gain-of-function technologies often result in incomplete gene disruption or random insertions of transgenes into plant genomes. The newly developed editing tool, CRISPR/Cas9 system, not only provides a powerful platform to efficiently modify target traits, but also broadens the scope and prospects of genome editing. Customized Cas9/guide RNA (gRNA) systems suitable for efficient genomic modification of mammalian cells or plants have been reported. Following successful demonstration of this technology in mammalian cells, CRISPR/Cas9 was successfully adapted in plants, and accumulating evidence of its feasibility has been reported in model plants and major crops. Recently, a modified version of CRISPR/Cas9 with added novel functions has been developed that enables programmable direct irreversible conversion of a target DNA base. In this review, we summarized the milestone applications of CRISPR/Cas9 in plants with a focus on major crops. We also present the implications of an improved version of this technology in the current plant breeding programs.
CRISPR/Cas9 genome editing systems have been established in a broad range of eukaryotic species. Herein, we report the first method for genetic engineering in pyogo (shiitake) mushrooms (Lentinula edodes) using CRISPR/Cas9. For in vivo expression of guide RNAs (gRNAs) targeting the mating-type gene HD1 (LeA1), we identified an endogenous LeU6 promoter in the L. edodes genome. We constructed a plasmid containing the LeU6 and glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (LeGPD) promoters to express the Cas9 protein. Among the eight gRNAs we tested, three successfully disrupted the LeA1 locus. Although the CRISPR-Cas9-induced alleles did not affect mating with compatible monokaryotic strains, disruption of the transcription levels of the downstream genes of LeHD1 and LeHD2 was detected. Based on this result, we present the first report of a simple and powerful genetic manipulation tool using the CRISPR/Cas9 toolbox for the scientifically and industrially important edible mushroom, L. edodes.
Kim, Jun-Seob;Cho, Da-Hyeong;Park, Myeongseo;Chung, Woo-Jae;Shin, Dongwoo;Ko, Kwan Soo;Kweon, Dae-Hyuk
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제26권2호
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pp.394-401
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2016
Recently, the clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-associated protein 9 (CRISPR/Cas9) system, a genome editing technology, was shown to be versatile in treating several antibiotic-resistant bacteria. In the present study, we applied the CRISPR/Cas9 technology to kill extended-spectrum beta-lactamase (ESBL)-producing Escherichia coli. ESBL bacteria are mostly multidrug resistant (MDR), and have plasmid-mediated antibiotic resistance genes that can be easily transferred to other members of the bacterial community by horizontal gene transfer. To restore sensitivity to antibiotics in these bacteria, we searched for a CRISPR/Cas9 target sequence that was conserved among >1,000 ESBL mutants. There was only one target sequence for each TEM- and SHV-type ESBL, with each of these sequences found in ~200 ESBL strains of each type. Furthermore, we showed that these target sequences can be exploited to re-sensitize MDR cells in which resistance is mediated by genes that are not the target of the CRISPR/Cas9 system, but by genes that are present on the same plasmid as target genes. We believe our Re-Sensitization to Antibiotics from Resistance (ReSAFR) technology, which enhances the practical value of the CRISPR/Cas9 system, will be an effective method of treatment against plasmid-carrying MDR bacteria.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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