分子植物育种
(
网络版
), 2016
年
,
第
14
卷
,
第
1062-1071
页
Fenzi Zhiwu Yuzhong (Online), 2016, Vol.14, 1062-1071
Copyright © 2016 BioPublisher 1062
评述与展望
Review and Progress
ZFNs
、
TALENs
和
CRISPR-Cas
基因组靶向编辑技术及其在植物中
的应用
廖鹏飞
,
聂旺
,
余雅心
,
童普国
,
李绍波
,
朱友林
南昌大学生命科学学院
,
江西省分子生物学与基因工程重点实验室
,
南昌
, 330031
通讯作者
,
;
作者
分子植物育种
, 2016
年
,
第
14
卷
,
第
10
篇
doi: 10.5376/mpb.cn.2016.14.00010
这是一篇采用
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引用格式
(
中文
)
：
廖鹏飞等
, 2016, ZFNs
、
TALENs
和
CRISPR-Cas
基因组靶向编辑技术及其在植物中的应用
,
分子植物育种
(online), 14(10): 1062-1071 (doi:
10.5376/mpb.cn.2016.14.00010)
引用格式
(
英文
)
：
Liao et al., 2016,
Effects of γ Ray Irradiation with Different Dosages on Strawberry Seeds and their Genetic Diversity Revealed by ISSR, Fenzi Zhiwu
Yuzhong (online) (Molecular Plant Breeding), 14(10): 1062-1071 (doi: 10.5376/mpb.cn.2016.14.0010)
摘 要
ZFNs (
Zinc-finger nucleases
,
锌指核酸酶
)
、
TALENs (
Transcription activator-like effectors nucleases
,
转录激活子样
效应因子核酸酶
)
和
RNA
介导的
CRISPR-Cas
系统是当今三种主要的基因组靶向编辑技术，
ZFNs
和
TALENs
由特异性的
DNA
结合蛋白融合一个非特异性的核酸酶
Fok
Ⅰ组成，
DNA
结合蛋白特异识别并结合靶
DNA
序列，然后在
Fok
Ⅰ的作用下引起
靶位点的
DNA
双链断裂（
Double strand breaks, DSBs)
；而
CRISPR-Cas
系统，则是由小分子向导
RNA
通过碱基互补配对与
靶基因组序列结合，而引导
Cas
核酸酶切割靶位点而引起
DSBs
。
DSBs
通过真核细胞
DNA
修复机制
(
非同源末端连接和同
源重组
)
进行修复，从而实现基因组靶向编辑。本综述着重介绍这三种技术的基本结构及其基因组靶向编辑的原理和特点，
对三种技术在植物中的应用进展进行介绍并对其进一步的发展提出了展望。
关键词
基因组靶向编辑技术
, ZFNs, TALENs, CRISPR/Cas,
基因打靶
, DNA
双链断裂
(DSBs)
ZFNs, TALENs and CRISPR-Cas Targeted Genome Editing
Technologies and Their Applications in Plants
Liao Pengfei , Nie Wang , Yu Yaxin , Tong Puguo , Li Shaobo Zhu Youlin
Jiangxi Provincial Key Laboratory of Molecular Biology and Genetic Engineering, School of Life Sciences, Nanchang University, Nanchang, 330031
Corresponding author,
;
Authors
Abstract
ZFNs (Zinc-finger nucleases), TALENs (Transcription activator–like effector nucleases) and the RNA-guided
CRISPR-Cas nuclease system are three main technologies for targeted genome editing. ZFNs and TALENs are composed of a
specific DNA-binding protein and a non-specific
Fok
Ⅰ
nuclease domain, the DNA-binding protein bind specifically to the target
DNA, and then, double strand breaks (DSBs) are introduced at the target DNA site via the non-specific
Fok
Ⅰ
nuclease. In the
CRISPR-Cas, on the other hand, a small guide RNA base paring with complementary the target genome sequence, leads Cas nuclease
to introduce DSBs at targeted site. The precise genome editing will be accomplished when these DSBs are repaired by eukaryotic cell
DNA-repair mechanism involving either non-homologous end joining or homologous recombination. This review focused on
describing the structures and principles of the above three genome editing technologies, and summarizing their applications in plants
and discussing future prospects.
Keywords
Targeted genome editing technologies, ZFNs, TALENs, CRISPR-Cas, Gene targeting, Double strand breaks (DSBs)
研究背景
基因组靶向编辑是指在生物细胞的基因组
DNA
的预定位点上，精确地引入
DNA
序列的变化，
包括碱基的插入、缺失和
DNA
序列交换等，进而
改变基因的结构或功能
(Perez-Pinera et al., 2012)
。
早在
1988
年，
Paszkowski
等
(Paszkowski et al., 1988)
首次尝试利用基于同源重组的基因打靶技术成功
修复了预先在烟草基因组中人为引入的缺失功能
的外源基因
(APHII)
，揭开了人们在植物基因组靶向
编辑的序幕。此后该技术在小立碗藓
(
Physcomitrella
patens
) (Schaefer and Zrÿd, 1997 )
、烟草
(
Nicotiana
收稿日期：
2016
年
04
月
18
日
接受日期：
2016
年
05
月
15
日
发表日期：
2016
年
05
月
19
日
基金项目：本研究由国家自然科学基金
(31260313)
和江
西省自然科学基金
(20132BAB204012)
共同资助
