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.
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.
Kim, Bumjoon;Kim, Byeong Chan;Lee, Ho Joung;Lee, Sang Jun
Microbiology and Biotechnology Letters
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v.49
no.4
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pp.534-542
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2021
Single-molecular guide RNA (sgRNA) plays a role in recognizing the DNA target sequence in CRISPR technology for genome editing and gene expression control. In this study, we systematically compared the length of the target recognition sequence in sgRNAs required for genome editing using Cas9-NG (an engineered Cas9 recognizing 5'-NG as PAM sequence) and gene expression control using deactivated Cas9-NG (dCas9-NG) by targeting the gal promoter in E. coli. In the case of genome editing, the truncation of three nucleotides in the target recognition sequence (TRS) of sgRNA was allowed. In gene expression regulation, we observed that target recognition and binding were possible even if eleven nucleotides were deleted from twenty nucleotides of the TRS. When 4 or more nucleotides are truncated in the TRS of the sgRNA, it is thought that the sgRNA/Cas9-NG complex can specifically bind to the target DNA sequence, but lacks endonuclease activity to perform genome editing. Our study will be helpful in the development of artificial transcription factors and various CRISPR technologies in the field of synthetic biology.
Kim, Si Won;Lee, Jeong Hyo;Park, Byung-Chul;Park, Tae Sub
Asian-Australasian Journal of Animal Sciences
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v.30
no.7
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pp.1029-1036
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2017
Objective: In the livestock industry, the regulatory mechanisms of muscle proliferation and differentiation can be applied to improve traits such as growth and meat production. We investigated the regulatory pathway of MyoD and its role in muscle differentiation in quail myoblast cells. Methods: The MyoD gene was mutated by the clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)/Cas9 technology and single cell-derived MyoD mutant sublines were identified to investigate the global regulatory mechanism responsible for muscle differentiation. Results: The mutation efficiency was 73.3% in the mixed population, and from this population we were able to establish two QM7 MyoD knockout subline (MyoD KO QM7#4) through single cell pick-up and expansion. In the undifferentiated condition, paired box 7 expression in MyoD KO QM7#4 cells was not significantly different from regular QM7 (rQM7) cells. During differentiation, however, myotube formation was dramatically repressed in MyoD KO QM7#4 cells. Moreover, myogenic differentiation-specific transcripts and proteins were not expressed in MyoD KO QM7#4 cells even after an extended differentiation period. These results indicate that MyoD is critical for muscle differentiation. Furthermore, we analyzed the global regulatory interactions by RNA sequencing during muscle differentiation. Conclusion: With CRISPR/Cas9-mediated genomic editing, single cell-derived sublines with a specific knockout gene can be adapted to various aspects of basic research as well as in functional genomics studies.
Alzheimer's disease (AD) related genes have been elucidated by advanced genetic techniques. Familial autosomal dominant AD genes founded by linkage analyses are APP, PSEN1, PSEN2, ABCA7, and SORL1. Genome-wide association studies have found risk genes such as ABCA7, BIN1, CASS4, CD33, CD2AP, CELF1, CLU, CR1, DSG2, EPHA1, FERMT2, HLA-DRB5-HLA-DRB1, INPP5D, MEF2C, MS4A6A/MS4A4E, NME8, PICALM, PTK2B, SLC24A4, SORL1, and ZCWPW1. ABCA7, SORL1, TREM2, and APOE are proved to have high odds ratio (>2) in risk of AD using next generation sequencing studies. Thanks to the promising genetic techniques such as CRISPR-CAS9 and single-cell RNA sequencing opened a new era in genetics. CRISPR-CAS9 can directly link genetic knowledge to future treatment. Single-cell RNA sequencing are providing useful information on cell biology and pathogenesis of diverse diseases.
Diyah Fatimah Oktaviani;Raju Dash;Sarmin Ummey Habiba;Ho Jin Choi;Yeasmin Akter Munni;Dae-Hyun Seog;Maria Dyah Nur Meinita;Il Soo Moon
Journal of Life Science
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v.34
no.9
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pp.609-619
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2024
Neurodegenerative diseases are marked by the accumulation of toxic misfolded proteins in neurons. Therefore, strategies for the effective prevention and clearance of aggregates are crucial for therapeutic interventions. Cytoplasmic dynein plays a crucial role in the clearance of aggregates by transporting them to the cell center, where lysosomes are enriched and the aggregates undergo extensive autophagic degradation. Previously, we reported evidence for the activation of dynein by N-acetylglucosamine kinase (NAGK) and Reln. In the present study, we explored the effects of NAGK and Reln upregulation on the clearance of aggregates. To upregulate NAGK and Reln genes in HEK293T cells (a human embryonic kidney cell line), CRISPR/dCas9 activation systems (CASs) were used with specific plasmids encoding target-specific 20 nt guide RNA. The effects of this genetic modulation were analyzed in Huntington's disease cellular models, including HEK293T cells and primary mouse cortical cells, where external mutant huntingtin (mHtt, Q74) aggregates were induced. The results showed that the CAS activation of NAGK or Reln, or their combination, significantly reduced the proportion of cells with Q74 aggregates (aggresomes). This effect was reversed by Ciliobrevin D (a dynein inhibitor) and chloroquine (an autophagy inhibitor), indicating the role of dynein-mediated autophagy in aggregate clearance. These findings provide the basis for therapeutic strategies aimed at enhancing neuronal health through targeted gene activation.
Objective: Based on rapid advancement of genetic modification techniques, genomic editing is expected to become the most efficient tool for improvement of economic traits in livestock as well as poultry. In this study, we examined and verified the nickase of mutated CRISPR-associated protein 9 (Cas9) to modulate the specific target gene in chicken DF1 cells. Methods: Chicken myostatin which inhibits muscle cell growth and differentiation during myogenesis was targeted to be deleted and mutated by the Cas9-D10A nickase. After co-transfection of the nickase expression vector with green fluorescent gene (GFP) gene and targeted multiplex guide RNAs (gRNAs), the GFP-positive cells were sorted out by fluorescence-activated cell sorting procedure. Results: Through the genotyping analysis of the knockout cells, the mutant induction efficiency was 100% in the targeted site. Number of the deleted nucleotides ranged from 2 to 39 nucleotide deletion. There was no phenotypic difference between regular cells and knockout cells. However, myostatin protein was not apparently detected in the knockout cells by Western blotting. Additionally, six off-target sites were predicted and analyzed but any non-specific mutation in the off-target sites was not observed. Conclusion: The knockout technical platform with the nickase and multiplex gRNAs can be efficiently and stablely applied to functional genomics study in poultry and finally adapted to generate the knockout poultry for agribio industry.
Junghyun Ryu;Fernanda C. Burch;Emily Mishler;Martha Neuringer;Jon D. Hennebold;Carol Hanna
Journal of Animal Reproduction and Biotechnology
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v.37
no.4
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pp.292-297
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2022
Direct injection of CRISPR/Cas9 into zygotes enables the production of genetically modified nonhuman primates (NHPs) essential for modeling specific human diseases, such as Usher syndrome, and for developing novel therapeutic strategies. Usher syndrome is a rare genetic disease that causes loss of hearing, retinal degeneration, and problems with balance, and is attributed to a mutation in MYO7A, a gene that encodes an uncommon myosin motor protein expressed in the inner ear and retinal photoreceptors. To produce an Usher syndrome type 1B (USH1B) rhesus macaque model, we disrupted the MYO7A gene in developing zygotes. Identification of appropriately edited MYO7A embryos for knockout embryo transfer requires sequence analysis of material recovered from a trophectoderm (TE) cell biopsy. However, the TE biopsy procedure is labor intensive and could adversely impact embryo development. Recent studies have reported using cell-free DNA (cfDNA) from embryo culture media to detect aneuploid embryos in human in vitro fertilization (IVF) clinics. The cfDNA is released from the embryo during cell division or cell death, suggesting that cfDNA may be a viable resource for sequence analysis. Moreover, cfDNA collection is not invasive to the embryo and does not require special tools or expertise. We hypothesized that selection of appropriate edited embryos could be performed by analyzing cfDNA for MYO7A editing in embryo culture medium, and that this method would be advantageous for the subsequent generation of genetically modified NHPs. The purpose of this experiment is to determine whether cfDNA can be used to identify the target gene mutation of CRISPR/Cas9 injected embryos. In this study, we were able to obtain and utilize cfDNA to confirm the mutagenesis of MYO7A, but the method will require further optimization to obtain better accuracy before it can replace the TE biopsy approach.
Genome/gene-editing (GE) techniques, characterized by a low technological barrier, high efficiency, and broad application among organisms, are now being employed not only in medical science but also in agriculture/veterinary science. Different engineered CRISPR/Cas9s have been identified to expand the application of this technology. In pig production, GE is a precise new breeding technology (NBT), and promising outcomes in improving economic traits, such as growth, lean or healthy meat production, animal welfare, and disease resistance, have already been documented and reviewed. These promising achievements in porcine gene editing, including the Myostatin gene knockout (KO) in indigenous breeds to improve lean meat production, the uncoupling protein 1 (UCP1) gene knock-in to enhance piglet thermogenesis and survival under cold stress, the generation of GGTA1 and CMP-N-glycolylneuraminic acid hydroxylase (CMAH) gene double KO (dKO) pigs to produce healthy red meat, and the KO or deletion of exon 7 of the CD163 gene to confer resistance to porcine reproductive and respiratory syndrome virus infection, are described in the present article. Other related approaches for such purposes are also discussed. The current trend of global regulations or legislation for GE organisms is that they are exempted from classification as genetically modified organisms (GMOs) if no exogenes are integrated into the genome, according to product-based and not process-based methods. Moreover, an updated case study in the EU showed that current GMO legislation is not fit for purpose in term of NBTs, which contribute to the objectives of the EU's Green Deal and biodiversity strategies and even meet the United Nations' sustainable development goals for a more resilient and sustainable agri-food system. The GE pigs generated via NBT will be exempted from classification as GMOs, and their global valorization and commercialization can be foreseen.
Objective: Foot and mouth disease (FMD) and porcine reproductive and respiratory syndrome (PRRS) are major diseases that interrupt porcine production. Because they are viral diseases, vaccinations are of only limited effectiveness in preventing outbreaks. To establish an alternative multi-resistant strategy against FMD virus (FMDV) and PRRS virus (PRRSV), the present study introduced two genetic modification techniques to porcine cells. Methods: First, cluster of differentiation 163 (CD163), the PRRSV viral receptor, was edited with the clustered regularly interspaced short palindromic repeats-CRISPR-associated protein 9 technique. The CD163 gene sequences of edited cells and control cells differed. Second, short hairpin RNA (shRNAs) were integrated into the cells. The shRNAs, targeting the 3D gene of FMDV and the open reading frame 7 (ORF7) gene of PRRSV, were transferred into fibroblasts. We also developed an in vitro shRNA verification method with a target gene expression vector. Results: shRNA activity was confirmed in vitro with vectors that expressed the 3D and ORF7 genes in the cells. Cells containing shRNAs showed lower transcript levels than cells with only the expression vectors. The shRNAs were integrated into CD163-edited cells to combine the two techniques, and the viral genes were suppressed in these cells. Conclusion: We established a multi-resistant strategy against viral diseases and an in vitro shRNA verification method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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