JACS:上海科技大学季泉江组研发出“超级细菌”基因组编辑新技
2017年2月20日，国际期刊《Journal of the American Chemical Society》杂志上在线发表了上海科技大学物质学院(材料生物学研究部)季泉江助理教授课题组在人类致病菌金黄色葡萄球菌(包括其中的“超级细菌”)中首次建立起基于CRISPR/Cas9系统的、高效快速的基因组编辑方法。研究成果题为“Rapid and Efficient Genome Editing in Staphylococcus aureus by Using an Engineered CRISPR/Cas9 System”。季泉江组博士后陈未中为论文第一作者，季泉江助理教授为通讯作者。
金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)是一种极具危害的人类病原菌，既可引起轻微的皮肤化脓感染，也可引起肺炎、伪膜性肠炎、心包炎等，甚至败血症、脓毒症等全身感染。近年来，“超级病菌”——耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的出现，大大加剧了治疗金黄色葡萄球菌感染的难度。在美国，MRSA已经成为急诊室中导致病人皮肤和软组织感染最多的诱因，而且还能导致更加严重甚至致命的疾病，其感染死亡率已经超过了艾滋病。因此，开发金黄色葡萄球菌，特别是MRSA感染的新药物和新治疗手段迫在眉睫。
基因组编辑和基因筛选技术是研究细菌致病性和抗药性的重要手段，对发现新的药物靶标具有重要意义。由于传统的金黄色葡萄球菌基因组编辑方法操作过程复杂，是一件非常费时费力的工作，因此迫切需要开发新的简单有效的金黄色葡萄球菌基因组编辑技术。
最近发现的CRISRP/Cas9系统能够在任意指定的基因组位置造成DNA双链断裂，诱导同源重组修复。在修复的过程中，通过人为提供外源DNA修复模板，可以实现包括基因敲除、单碱基突变以及基因插入在内的精确基因组编辑。季泉江课题组采用该系统首次构建了能够在金黄色葡萄球菌中进行快速高效基因组编辑的pCasSA质粒体系。通过在金黄色葡萄球菌RN4220、Newman和USA300(MRSA)菌株中的基因敲除、单碱基突变和基因插入实验，系统验证了该方法的高效性和可靠性。与传统的基因组编辑方法相比，该技术效率高，操作简单，实验周期短，大大减少了金黄色葡萄球菌基因组编辑的工作量。课题组还进一步对pCasSA系统进行改造，使其能够有效抑制金黄色葡萄球菌中的基因转录，从而能够用于特定基因群和全基因组层面药物靶标的筛选。
这一技术的研发大大缩减了金黄色葡萄球菌中基因组编辑的步骤和时间，将会促进金黄色葡萄球菌中药物开发、酶学研究、天然产物发掘、基因表征等一系列基础和应用研究的发展，并促进相关的化学生物学和合成生物学等交叉学科的发展。
Cas9蛋白晶体结构(左)和使用CRISPR/Cas9系统对基因组进行编辑的示意图(右)
基于CRISPR/Cas9系统的金黄色葡萄球菌基因组编辑方法。(a)基因组编辑过程示意图。(b)利用pCasSA系统在金黄色葡萄球菌RN4220菌株中对cntA基因进行敲除。
原文链接：
Rapid and Efficient genome Editing in Staphylococcus aureus by Using an Engineered CRISPR/Cas9 System
原文摘要：
Staphylococcus aureus, a major human pathogen, has been the cause of serious infectious diseases with a high mortality rate. Although genetics is a key means to study S. aureusphysiology, such as drug resistance and pathogenesis, genetic manipulation in S. aureus is always time-consuming and labor-intensive. Here we report a CRISPR/Cas9 system (pCasSA) for rapid and efficient genome editing, including gene deletion, insertion, and single-base substitution mutation in S. aureus. The designed pCasSA system is amenable to the assembly of spacers and repair arms by Golden Gate assembly and Gibson assembly, respectively, enabling rapid construction of the plasmids for editing. We further engineered the pCasSA system to be an efficient transcription inhibition system for gene knockdown and possible genome-wide screening. The development of the CRISPR/Cas9-mediated genome editing and transcription inhibition tools will dramatically accelerate drug-target exploration and drug development.
作者：季泉江
