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.
The CRISPR-Cas system provides adaptive immunity for bacteria and archaea against invading phages and foreign plasmids. In the Class 1 CRISPR-Cas system, multi-subunit Cas proteins assemble with crRNA to bind to DNA targets. To disarm the bacterial defense system, bacteriophages evolved anti-CRISPR (Acr) proteins that actively inhibit the host CRISPR-Cas function. Here we report the backbone resonance assignments of AcrIF7 protein that inhibits the type I-F CRISPR-Cas system of Pseudomonas aeruginosa using triple-resonance nuclear magnetic resonance spectroscopy. We employed various computational methods to predict the structure and binding interface of AcrIF7, and assessed the model with experimental data. AcrIF7 binds to Cas8f protein via flexible loop regions to inhibit target DNA binding, suggesting that conformational heterogeneity is important for the Cas-Acr interaction.
Clustered regulatory interspaced short palindromic repeats (CRISPR) in association with CRISPR-associated protein (Cas) is an adaptive immune system, playing a pivotal role in the defense of bacteria and archaea. Ease of handling and cost effectiveness make the CRISPR-Cas system an ideal programmable nuclease tool. Recent advances in understanding the CRISPR-Cas system have tremendously improved its efficiency. For instance, it is possible to recapitulate the chronicle CRISPR-Cas from its infancy and inaugurate a developed version by generating novel variants of Cas proteins, subduing off-target effects, and optimizing of innovative strategies. In summary, the CRISPR-Cas system could be employed in a number of applications, including providing model systems, rectification of detrimental mutations, and antiviral therapies.
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.
Due to the development of CRISPR technology, the era of effective editing of target genes has arrived. However, the off-target problem that occurs when recognizing target DNA due to the inherent nature of CRISPR components remains the biggest task to be overcome in the future. In this review, the principle of inducing such unintended off-target editing is analyzed from the structural aspect of CRISPR, and the methodology that has been developed to reduce off-target editing until now is summarized.
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.
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.
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.
CRISPR/Cas9 is the latest tool introduced in the field of genome engineering and is so far the best genome-editing tool as compared to its precedents such as, meganucleases, zinc finger nucleases (ZFNs) and transcription activator-like effectors (TALENs). The simple design and assembly of the CRISPR/Cas9 system makes genome editing easy to perform as it uses small guide RNAs that correspond to their DNA targets for high efficiency editing. This has helped open the doors for multiplexible genome targeting in many species that were intractable using old genetic perturbation techniques. Currently, The CRISPR system is revolutionizing the way biological researches are conducted and paves a bright future not only in research but also in medicine and biotechnology. In this review, we evaluated the history, types and structure, the mechanism of action of CRISPR/Cas System. In particular, we focused on the application of this powerful tool in autophagy research.
The CRISPR-Cas system has emerged as a fascinating and important genome editing tool. It is now widely used in biology, biotechnology, and biomedical research in both academic and industrial settings. To improve the specificity and efficiency of Cas nucleases and to extend the applications of these systems for other areas of research, an understanding of their precise working mechanisms is crucial. In this review, we summarize current studies on the molecular structures and dynamic functions of type I and type II Cas nucleases, with a focus on target DNA searching and cleavage processes as revealed by single-molecule observations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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