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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v.44
no.2
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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.
Kyung Soo Kang;Seung Pyo Shin;In Su Ha;Si Eun Kim;Ki Hyun Kim;Hyeong Ju Ryu;Tae Sub Park
Animal Bioscience
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v.36
no.6
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pp.973-979
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2023
Objective: The clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)/CRISPR-associated protein 9 (Cas9) system, which is the most efficient and reliable tool for precisely targeted modification of the genome of living cells, has generated considerable excitement for industrial applications as well as scientific research. In this study, we developed a gene-editing and detection system for chick embryo sexing during the embryonic stage. Methods: By combining the CRISPR/Cas9 technical platform and germ cell-mediated germline transmission, we not only generated Z chromosome-targeted knockin chickens but also developed a detection system for fluorescence-positive male chicks in the embryonic stage. Results: We targeted a green fluorescent protein (GFP) transgene into a specific locus on the Z chromosome of chicken primordial germ cells (PGCs), resulting in the production of ZGFP-knockin chickens. By mating ZGFP-knockin females (ZGFP/W) with wild males (Z/Z) and using a GFP detection system, we could identify chick sex, as the GFP transgene was expressed on the Z chromosome only in male offspring (ZGFP/Z) even before hatching. Conclusion: Our results demonstrate that the CRISPR/Cas9 technical platform with chicken PGCs facilitates the production of specific genome-edited chickens for basic research as well as practical applications.
Programmable nucleases, which include zinc-finger nucleases (ZFNs), transcription activator-like effector nucleases (TALENs), and RNA-guided engineered nucleases (RGENs) repurposed from the type II clustered, regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-CRISPR-associated protein 9 (Cas9) system are now widely used for genome editing in higher eukaryotic cells and whole organisms, revolutionising almost every discipline in biological research, medicine, and biotechnology. All of these nucleases, however, induce off-target mutations at sites homologous in sequence with on-target sites, limiting their utility in many applications including gene or cell therapy. In this review, we compare methods for detecting nuclease off-target mutations. We also review methods for profiling genome-wide off-target effects and discuss how to reduce or avoid off-target mutations.
Mice with specific modified genes are useful means of studying development and disease. The CRISPR/Cas9 system is a very powerful and effective tool for generating genetically modified mice in a simple and fast manner. To generate human IgG light kappa constant knock-in mice, we tested by microinjection of a mixture of Cas9 protein, single-guide RNA and target homologous recombinant donor DNA into zygotes. We found that the injection of 10 ng/μL of Cas9 protein and crRNA/tracrRNA, rather than single guide RNA, induced the production of knock-in mice more effectively. Thus, our study provides valuable information that will help to improve the production of knock-in mice and contribute the successful generation of humanized Ab-producing mice in Korea.
The three-dimensional organization of chromatin and its time-dependent changes greatly affect virtually every cellular function, especially DNA replication, genome maintenance, transcription regulation, and cell differentiation. Sequencing-based techniques such as ChIP-seq, ATAC-seq, and Hi-C provide abundant information on how genomic elements are coupled with regulatory proteins and functionally organized into hierarchical domains through their interactions. However, visualizing the time-dependent changes of such organization in individual cells remains challenging. Recent developments of CRISPR systems for site-specific fluorescent labeling of genomic loci have provided promising strategies for visualizing chromatin dynamics in live cells. However, there are several limiting factors, including background signals, off-target binding of CRISPR, and rapid photobleaching of the fluorophores, requiring a large number of target-bound CRISPR complexes to reliably distinguish the target-specific foci from the background. Various modifications have been engineered into the CRISPR system to enhance the signal-to-background ratio and signal longevity to detect target foci more reliably and efficiently, and to reduce the required target size. In this review, we comprehensively compare the performances of recently developed CRISPR designs for improved visualization of genomic loci in terms of the reliability of target detection, the ability to detect small repeat loci, and the allowed time of live tracking. Longer observation of genomic loci allows the detailed identification of the dynamic characteristics of chromatin. The diffusion properties of chromatin found in recent studies are reviewed, which provide suggestions for the underlying biological processes.
A largemouth bass (Micropterus salmoides) is an ecosystem disturbance fish species at the highest rank in the aquatic ecosystem, causing a serious imbalance in freshwater ecosystems. Although various attempts have been made to eradicate and control largemouth bass, no effective measures were found. Therefore, it is necessary to find an approach to maximize the effective population reduction based on the unique characteristics of largemouth bass. This study used the transcriptome analysis to derive 182,887 unigene contigs and select 12 types of final target sequences for applying the CRISPR/Cas9 system in the genes of IZUMO1 and Zona pellucida sperm-binding protein, which are proteins involved in sperm-egg recognition. After synthesizing 12 types of sgRNA capable of recognizing each target sequence, 12 types of Cas9-sgRNA ribonucleoprotein (RNP) complexes to be used in subsequent studies were prepared. This study searched the protein-coding gene of sperm-egg through the Next Generation Sequencing (NGS) and edited genes through the CRISPR/Cas9 system to induce infertile individuals that produced reproductive cells but could not form fertilized eggs. Through such a series of processes, it successfully established a composition development process for largemouth bass. It is judged that this study contributed to securing the valuable basic data for follow-up studies to verify its effect for the management of ecological disturbances without affecting the habitat of other endemic species in the same water system with the largemouth bass.
Direct injection of genome editing tools such as CRISPR/Cas9 system into developing embryos has been widely used to generate genetically engineered pigs. The approach allows us to produce pigs carrying targeted modifications at high efficiency without having to apply somatic cell nuclear transfer. However, the targeted modifications during embryogenesis often result in mosaicism, which causes issues in phenotyping founder animals and establishing a group of pigs carrying intended modifications. This study was aimed to establish a genomic PCR and sequencing system of a single blastomere in the four-cell embryos to detect potential mosaicism. We performed genomic PCR in four individual blastomeres from four-cell embryos. We successfully amplified target genomic region from single blastomeres of 4-cell stage embryo by PCR. Sanger sequencing of the PCR amplicons obtained from the blastomeres suggested that PCR-based genotyping of single blastomere was a feasible method to determine mutation type generated by genome editing technology such as CRISPR/Cas9 in early stage embryos. In conclusion, we successfully genotyped single blastomeres in a single 4-cell stage embryo to detect potential mosaicism in porcine embryos. Our approach offers a simple platform that can be used to screen the prevalence of mosaicism from designed CRISPR/Cas9 systems.
Genetic modification enables modification of target genes or genome structure in livestock and experimental animals. These technologies have not only advanced bioscience but also improved agricultural productivity. To introduce a foreign transgene, the piggyBac transposon element/transposase system could be used for production of transgenic animals and specific target protein-expressing animal cells. In addition, the clustered regularly interspaced short palindromic repeat-CRISPR associated protein 9 (CRISPR-Cas9) system have been utilized to generate chickens with knockout of G0/G1 switch gene 2 (G0S2) and myostatin, which are related to lipid deposition and muscle growth, respectively. These experimental chickens could be the invaluable genetic resources to investigate the regulatory pathways and mechanisms of improvement of economic traits such as fat quantity and growth. The gene-edited animals could also be applicable to the livestock industry.
CRISPR/Cpf1 has emerged as a new CRISPR-based genome editing tool because, in comparison with CRIPSR/Cas9, it has a different T-rich PAM sequence to expand the target DNA sequence. Single-base editing in the microbial genome can be facilitated by oligonucleotide-directed mutagenesis (ODM) followed by negative selection with the CRISPR/Cpf1 system. However, single point mutations aided by Cpf1 negative selection have been rarely reported in Corynebacterium glutamicum. This study aimed to introduce an amber stop codon in crtEb encoding lycopene hydratase, through ODM and Cpf1-mediated negative selection; deficiency of this enzyme causes pink coloration due to lycopene accumulation in C. glutamicum. Consequently, on using double-, triple-, and quadruple-base-mutagenic oligonucleotides, 91.5-95.3% pink cells were obtained among the total live C. glutamicum cells. However, among the negatively selected live cells, 0.6% pink cells were obtained using single-base-mutagenic oligonucleotides, indicating that very few single-base mutations were introduced, possibly owing to mismatch tolerance. This led to the consideration of various target-mismatched crRNAs to prevent the death of single-base-edited cells. Consequently, we obtained 99.7% pink colonies after CRISPR/Cpf1-mediated negative selection using an appropriate single-mismatched crRNA. Furthermore, Sanger sequencing revealed that single-base mutations were successfully edited in the 99.7% of pink cells, while only two of nine among 0.6% of pink cells were correctly edited. The results indicate that the target-mismatched Cpf1 negative selection can assist in efficient and accurate single-base genome editing methods in C. glutamicum.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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