人类akirin的功能研究及利用CRISPR-CAS9介导斑马鱼性成熟相关基因的诱变与筛选

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Akirin是一个在昆虫和脊椎动物中都高度保守的核内蛋白,参与到天然免疫调控过程中。在昆虫等无脊椎动物基因组中只有一个akirin基因,而在脊椎动物的基因组中发生了akiri基因的倍增,出现了两个akirin家族成员(akirin1和akirin2),并且发生了功能上的分化。其中,无脊椎动物的akirin与脊椎动物的akirin2同源性更高。有研究表明,无脊椎动物akirin和脊椎动物akirin2能够参与机体的免疫防御过程,并作为核内转录因子协助NF-κB(nuclear transcription factor kappa B)调节下游靶基因的表达,进而对机体的重要生理过程进行调控,但是其调节的机制知之甚少。本部分选取人类akirin2基因作为研究对象,利用多种分子生物学和细胞生物学手段,在人源细胞系中开展人源akirin2参与NF-κB信号通路调节机制的研究,初步探究人类akirin2基因的表达模式和功能。我们克隆得到人类akirin2,命名为human akirin2。该序列编码203个氨基酸,有两个入核信号(nuclear localization signal,NLS)和1个与14-3-3蛋白相结合的位点,除此之外,该蛋白不再具有其它已知功能域,也不含有DNA及核糖体蛋白的结合位点。亚细胞定位结果显示,human akirin2严格定位在核内,通过荧光素酶报告基因检测我们发现随着细胞内human akirin2表达量的增加,细胞中的NF-κB报告基因的表达水平也随之增加,说明human akirin2确实在体内参与了NF-κB信号通路。另外,鉴于human akirin2序列上含有与14-3-3相互作用的位点,我们还对human akirin2与human 14-3-3β之间的相互作用进行了探究。免疫共沉淀(co-immunoprecipitation,Co-IP)结果表明细胞内human akirin2和human 14-3-3β之间存在相互作用;对细胞核蛋白的定性定量分析我们发现激活状态细胞中human 14-3-3β发生了部分入核。综上,激活状态的细胞中一部分human 14-3-3β向细胞核中迁移并与细胞核中的human akirin2发生相互作用,共同完成一系列生理功能。成簇的规律间隔的短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPRs)是原核生物获得性免疫过程中不可或缺的元件。2012年8月,Martin Jinek等人首次将CRISPR-CAS9系统定向切割DNA的特性应用到了基因编辑中去。2013年1月,WoongY Hwang等人首先在模式生物斑马鱼中实现了利用CRISPR-CAS9系统进行成体生物靶向基因的突变。此后,张博老师和肖安老师成功的利用Cas9介导的基因编辑技术在斑马鱼内实现了基因组内大片段DNA的删除并获得了多个非编码基因的缺失突变体。本研究选用几种斑马鱼生殖腺发育相关编码基因作为研究对象,利用Cas9介导的大片段DNA删除技术,来对基因内部的兴趣结构域进行了特异的删除,以期能够获得上述基因特定结构域缺失的斑马鱼,以便于接下来对上述基因特征结构域的功能进行更深入的探究,同时对pcr检测突变体的检出效率以及通过该方法获得突变体的概率进行统计分析。经过摸索,我们发现Cas9 mRNA的注射量为200pg,sgRNAs的注射量为200pg(两个sgRNA的注射量相同)时,胚胎发生缺失突变的突变效率较高且胚胎死亡率相对较低。对30dpf F0尾鳍的检测结果显示携带与预期大小一致的缺失突变发生的概率均大于33.3%。而检测F0突变的传代效率时我们发现,每个基因中至少存在两条携带可遗传缺失突变的F0,其缺失突变传代效率均大于5%,大部分在30%以上,有的甚至高达80%。通过对Zebrafish EAP1-IRF2BP F1的靶位点所在序列进行测序分析,我们发现在所有我们检测的F1胚胎中,出现有效EAP1ΔIRF-2BP缺失突变体的概率为10%,在我们检出的发生缺失突变的F1胚胎中,出现有效EAP1ΔIRF-2BP缺失突变体的概率为16.7%。通过本部分研究,我们证明了 Cas9技术介导的大范围DNA片段删除技术不仅可以实现非编码基因的缺失突变,还可用于在编码基因内部实现特定结构域的缺失,并且不影响该基因剩余部分的表达,可以用来更准确的分析预测蛋白结构域的功能。EAP1是在下丘脑中表达的一种转录调控因子,作用于大脑神经内分泌过程中,在非人类灵长类动物(nonhuman primate,NHP)和啮齿类动物的青春期会出现选择性的表达上调,它可以直接激活促性腺激素释放激素(gonadotropin-releasing hormone,GnRH)基因的表达,对雌性性成熟和生殖功能维持起到一定调节控制作用。我们通过大范围核酸酶I-SceI介导的转基因斑马鱼技术将斑马鱼EAP1基因转入斑马鱼中使其过量表达,并预期得到过表达EAP1导致提前性成熟的斑马鱼。我们克隆得到了编码659个氨基酸的zebrafsh不EAP1基因。继而成功构建了用于转基因操作的I-SceI-CMV-zebrafish EAP1-EGFP-I-SceI重组载体,并且通过酶切验证和转染真核细胞表达对其有效性进行了检测。接下来我们将继续摸索合适的注射方法,大量注射F0,并筛选获得稳定遗传的转基因鱼品系。进而在整体水平、组织水平和分子水平上分析转基因鱼的表型特征和基因表达模式,以期得到提早性成熟的突变性状。
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