Kim, Segi;Hupperetz, Cedric;Lim, Seongjoon;Kim, Chan Hyuk
BMB Reports
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v.54
no.1
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pp.59-69
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2021
The ability to read, write, and edit genomic information in living organisms can have a profound impact on research, health, economic, and environmental issues. The CRISPR/Cas system, recently discovered as an adaptive immune system in prokaryotes, has revolutionized the ease and throughput of genome editing in mammalian cells and has proved itself indispensable to the engineering of immune cells and identification of novel immune mechanisms. In this review, we summarize the CRISPR/Cas9 system and the history of its discovery and optimization. We then focus on engineering T cells and other types of immune cells, with emphasis on therapeutic applications. Last, we describe the different modifications of Cas9 and their recent applications in the genome-wide screening of immune cells.
Kim, Euyeon;Yang, So Hee;Park, Hyosun;Koo, Yeonjong
Korean Journal of Environmental Agriculture
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v.40
no.3
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pp.186-193
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2021
BACKGROUND: Before generating transgenic plant using the CRISPR-Cas9 system, the efficiency test of sgRNAs is recommended to reduce the time and effort for plant transformation and regeneration process. The efficiency of the sgRNA can be measured through the transient expression of sgRNA and Cas9 gene in tomato cotyledon; however, we found that the calculated efficiency showed a large variation. It is necessary to increase the precision of the experiment to obtain reliable sgRNA efficiency data from transient expression. METHODS AND RESULTS: The cotyledon of 11th, 15th, 19th, and 23rd-day-old tomato (Solanum lycopersicum cv. Micro-Tom) were used for expressing CRISPR-Cas9 transiently. The agrobacterium harboring sgRNA for targeting ALS2 gene of tomato was injected through the stomata of leaf adaxial side and the genomic DNA was extracted in 5 days after injection. The target gene edition was identified by amplifying DNA fragment of target region and analyzing with Illumina sequencing method. The target gene editing efficiency was calculated by counting base deletion and insertion events from total target sequence read. CONCLUSION: The CRISPR-Cas9 editing efficiency varied with tomato cotyledon age. The highest efficiency was observed at the 19-day-old cotyledons. Both the median and mean were the highest at this stage and the sample variability was also minimized. We found that the transgene of CRISPR-Cas9 system was strongly correlated with plant leaf development and suggested the optimum cotyledon leaf age for Agrobacterium-mediated transfection in tomato.
Advancements in gene and cell therapy have resulted in novel therapeutics for diseases previously considered incurable or challenging to treat. Among the various contributing technologies, genome editing stands out as one of the most crucial for the progress in gene and cell therapy. The discovery of CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) and the subsequent evolution of genetic engineering technology have markedly expanded the field of target-specific gene editing. Originally studied in the immune systems of bacteria and archaea, the CRISPR system has demonstrated wide applicability to effective genome editing of various biological systems including human cells. The development of CRISPR-based base editing has enabled directional cytosine-to-thymine and adenine-to-guanine substitutions of select DNA bases at the target locus. Subsequent advances in prime editing further elevated the flexibility of the edit multiple consecutive bases to desired sequences. The recent CRISPR technologies also have been actively utilized for the development of in vivo and ex vivo gene and cell therapies. We anticipate that the medical applications of CRISPR will rapidly progress to provide unprecedented possibilities to develop novel therapeutics towards various diseases.
Background: The roots of Panax ginseng contain two types of tetracyclic triterpenoid saponins, namely, protopanaxadiol (PPD)-type saponins and protopanaxatiol (PPT)-type saponins. In P. ginseng, the protopanaxadiol 6-hydroxylase (PPT synthase) enzyme catalyses protopanaxatriol (PPT) production from protopanaxadiol (PPD). In this study, we constructed homozygous mutant lines of ginseng by CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis of the PPT synthase gene and obtained the mutant ginseng root lines having complete depletion of the PPT-type ginsenosides. Methods: Two sgRNAs (single guide RNAs) were designed for target mutations in the exon sequences of the two PPT synthase genes (both PPTa and PPTg sequences) with the CRISPR/Cas9 system. Transgenic ginseng roots were generated through Agrobacterium-mediated transformation. The mutant lines were screened by ginsenoside analysis and DNA sequencing. Result: Ginsenoside analysis revealed the complete depletion of PPT-type ginsenosides in three putative mutant lines (Cr4, Cr7, and Cr14). The reduction of PPT-type ginsenosides in mutant lines led to increased accumulation of PPD-type ginsenosides. The gene editing in the selected mutant lines was confirmed by targeted deep sequencing. Conclusion: We have established the genome editing protocol by CRISPR/Cas9 system in P. ginseng and demonstrated the mutated roots producing only PPD-type ginsenosides by depleting PPT-type ginsenosides. Because the pharmacological activity of PPD-group ginsenosides is significantly different from that of PPT-group ginsenosides, the new type of ginseng mutant producing only PPD-group ginsenosides may have new pharmacological characteristics compared to wild-type ginseng. This is the first report to generate target-induced mutations for the modification of saponin biosynthesis in Panax species using CRISPR-Cas9 system.
CRISPR-Cas system is being used as a powerful genome editing tool with developments focused on enhancing its efficiency and accuracy. Recently, the miniature CRISPR-Cas12f1 system, which is small enough to be easily loaded onto various vectors for cellular delivery, has gained attention. In this study, we explored the influence of temperature conditions on multiplex genome editing using CRISPR-Cas12f1 in an Escherichia coli model. It was revealed that when two distinct targets in the genome are edited simultaneously, the editing efficiency can be enhanced by allowing cells to recover at a reduced temperature during the editing process. Additionally, employing 3'-end truncated sgRNAs facilitated the simultaneous single-nucleotide level editing of three targets. Our results underscore the potential of optimizing recovery temperature and sgRNA design protocols in developing more effective and precise strategies for multiplex genome editing across various organisms.
Lee, Hyomin K.;Oh, Yeounsun;Hong, Juyoung;Lee, Seung Hwan;Hur, Junho K.
BMB Reports
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v.54
no.2
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pp.98-105
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2021
The clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) system is a family of DNA sequences originally discovered as a type of acquired immunity in prokaryotes such as bacteria and archaea. In many CRISPR systems, the functional ribonucleoproteins (RNPs) are composed of CRISPR protein and guide RNAs. They selectively bind and cleave specific target DNAs or RNAs, based on sequences complementary to the guide RNA. The specific targeted cleavage of the nucleic acids by CRISPR has been broadly utilized in genome editing methods. In the process of genome editing of eukaryotic cells, CRISPR-mediated DNA double-strand breaks (DSB) at specific genomic loci activate the endogenous DNA repair systems and induce mutations at the target sites with high efficiencies. Two of the major endogenous DNA repair machineries are non-homologous end joining (NHEJ) and homology-directed repair (HDR). In case of DSB, the two repair pathways operate in competition, resulting in several possible outcomes including deletions, insertions, and substitutions. Due to the inherent stochasticity of DSB-based genome editing methods, it was difficult to achieve defined single-base changes without unanticipated random mutation patterns. In order to overcome the heterogeneity in DSB-mediated genome editing, novel methods have been developed to incorporate precise single-base level changes without inducing DSB. The approaches utilized catalytically compromised CRISPR in conjunction with base-modifying enzymes and DNA polymerases, to accomplish highly efficient and precise genome editing of single and multiple bases. In this review, we introduce some of the advances in single-base level CRISPR genome editing methods and their applications.
Park, Hyosun;Yang, So Hee;Kim, Euyeon;Koo, Yeonjong
Korean Journal of Environmental Agriculture
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v.40
no.3
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pp.179-185
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2021
BACKGROUND: Tomato genome editing using CRISPR-Cas9 is being actively conducted in recent days, and lots of plant researches have been aiming to develop high valued crops by editing target genes without inserting foreign genes. Many researchers have been involved in the manipulation of the crop ripening process because fruit ripening is an important fruit phenotype for increasing fruit shelf life, taste, and texture of crops. This paper intends to evaluate target sgRNA to edit the two ripening-related genes encoding pectate lyase (PL) and phytoene synthase (Psy) with the CRISPR-Cas9 system. METHODS AND RESULTS: The CRISPR-Cas9 expression vector was cloned to target the PL (Solyc03g111690), Psy1 (Solyc03g031860), and Psy2 (Solyc02g081330) genes, which are the ripening genes of tomatoes. Tomatoes injected with Agrobacterium containing the CRISPR-Cas9 expression vector were further cultured for 5 days and used to check gene editing efficiency. As a result of the target gene sequence analysis by the next generation sequencing method, gene editing efficiency was calculated, and the efficient target location was selected for the PL and Psy genes. CONCLUSION: Therefore, this study was aimed to establish target sgRNA data that could have higher efficiency of the CRISPR-Cas9 system to obtain the delayed ripening phenotype of tomato. The developed method and sgRNA information is expected to be utilized in the development of various crops to manage its ripening processes.
Genome engineering with clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) system can be used as a tool to correct pathological mutations or modulate gene expression levels associated with pathogenesis of human diseases. Owing to well-established local administration methods including intravitreal and subretinal injection, it is relatively easy to administer therapeutic genome engineering machinery to ocular tissues for treating retinal diseases. In this context, we have investigated the potential of in vivo genome engineering as a therapeutic approach in the form of ribonucleoprotein or CRISPR packaged in viral vectors. Major issues in therapeutic application of genome engineering include specificity and efficacy according to types of CRISPR system. In addition to previous platforms based on ribonucleoprotein and CRISPR-associated protein 9 derived from Campylobacter jejuni, we evaluated the therapeutic effects of a CRISPR RNA-guided endonuclease derived from Lachnospiraceae bacterium ND2006 (LbCpf1) in regulating pathological angiogenesis in an animal model of wet-type age-related macular degeneration. LbCpf1 targeting Vegfa or Hif1a effectively disrupted the expression of genes in ocular tissues, resulting in suppression of choroidal neovascularization. It was also notable that there were no significant off-target effects in vivo.
The CRISPR-Cas system is a well-established RNA-guided DNA editing technique widely used to modify genomic DNA sequences. I used the CRISPR-Cas9 system to change the second and third nucleotides of the triplet $T{\underline{CT}}$ of human TNSFSF9 in HepG2 cells to $T{\underline{AG}}$ to create an amber stop codon. The $T{\underline{CT}}$ triplet is the codon for Ser at the $172^{nd}$ position of TNSFSF9. The two substituted nucleotides, AG, were confirmed by DNA sequencing of the PCR product followed by PCR amplification of the genomic TNFSF9 gene. Interestingly, sequencing of the cDNA of transcripts of the edited TNFSF9 gene revealed that the $T{\underline{AG}}$ had been re-edited to the wild type triplet $T{\underline{CT}}$, and 1 or 2 bases just before the triplet had been deleted. These observations indicate that CRISPR-Cas9-mediated editing of bases in target genomic DNA can be followed by spontaneous re-editing (correcting) of the bases during transcription.
KO mice provide an excellent tool to determine roles of specific genes in biomedical filed. Traditionally, knockout mice were generated by homologous recombination in embryonic stem cells. Recently, engineered nucleases, such as zinc finger nuclease, transcription activator-like effector nuclease and clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR), were used to produce knockout mice. This new technology is useful because of high efficiency and ability to generate biallelic mutation in founder mice. Until now, most of knockout mice produced using engineered nucleases were C57BL/6 strain. In the present study we used CRISPR-Cas9 system to generate knockout mice in FVB strain. We designed and synthesized single guide RNA (sgRNA) of CRISPR system for targeting gene, Abtb2. Mouse zygote were obtained from superovulated FVB female mice at 8-10 weeks of age. The sgRNA was injected into pronuclear of the mouse zygote with recombinant Cas9 protein. The microinjected zygotes were cultured for an additional day and only cleaved embryos were selected. The selected embryos were surgically transferred to oviduct of surrogate mother and offsprings were obtained. Genomic DNA were isolated from the offsprings and the target sequence was amplified using PCR. In T7E1 assay, 46.7% among the offsprings were founded as mutants. The PCR products were purified and sequences were analyzed. Most of the mutations were founded as deletion of few sequences at the target site, however, not identical among the each offspring. In conclusion, we found that CRISPR system is very efficient to generate knockout mice in FVB strain.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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