近日，我校物質(zhì)學(xué)院（材料生物學(xué)研究部）季泉江助理教授課題組在人類(lèi)致病菌金黃色葡萄球菌（包括其中的“超級(jí)細(xì)菌”）中首次建立起基于CRISPR/Cas9系統(tǒng)的、高效快速的基因組編輯方法。該項(xiàng)成果以“Rapid and Efficient Genome Editing in Staphylococcus aureus by Using an Engineered CRISPR/Cas9 System”為題，在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Journal of the American Chemical Society》上。季泉江組博士后陳未中為論文第一作者，一年級(jí)碩士研究生張翼飛為論文第二作者，美國(guó)印第安納大學(xué)醫(yī)學(xué)院Won-Sik Yeo博士和Taeok Bae教授分別為論文第三和第四作者，季泉江助理教授為通訊作者，上科大是第一完成單位。目前課題組已經(jīng)為該技術(shù)進(jìn)行了專(zhuān)利申請(qǐng)。

金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)是一種極具危害的人類(lèi)病原菌，既可引起輕微的皮膚化膿感染，也可引起肺炎、偽膜性腸炎、心包炎等，甚至敗血癥、膿毒癥等全身感染。近年來(lái)，“超級(jí)病菌”——耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）的出現(xiàn)，大大加劇了治療金黃色葡萄球菌感染的難度。在美國(guó)，MRSA已經(jīng)成為急診室中導(dǎo)致病人皮膚和軟組織感染最多的誘因，而且還能導(dǎo)致更加嚴(yán)重甚至致命的疾病，其感染死亡率已經(jīng)超過(guò)了艾滋病。因此，開(kāi)發(fā)金黃色葡萄球菌，特別是MRSA感染的新藥物和新治療手段迫在眉睫。

基因組編輯和基因篩選技術(shù)是研究細(xì)菌致病性和抗藥性的重要手段，對(duì)發(fā)現(xiàn)新的藥物靶標(biāo)具有重要意義。由于傳統(tǒng)的金黃色葡萄球菌基因組編輯方法操作過(guò)程復(fù)雜，是一件非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，因此迫切需要開(kāi)發(fā)新的簡(jiǎn)單有效的金黃色葡萄球菌基因組編輯技術(shù)。

最近發(fā)現(xiàn)的CRISRP/Cas9系統(tǒng)能夠在任意指定的基因組位置造成DNA雙鏈斷裂，誘導(dǎo)同源重組修復(fù)。在修復(fù)的過(guò)程中，通過(guò)人為提供外源DNA修復(fù)模板，可以實(shí)現(xiàn)包括基因敲除、單堿基突變以及基因插入在內(nèi)的精確基因組編輯。季泉江課題組采用該系統(tǒng)首次構(gòu)建了能夠在金黃色葡萄球菌中進(jìn)行快速高效基因組編輯的pCasSA質(zhì)粒體系。通過(guò)在金黃色葡萄球菌RN4220、Newman和USA300（MRSA）菌株中的基因敲除、單堿基突變和基因插入實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)驗(yàn)證了該方法的高效性和可靠性。與傳統(tǒng)的基因組編輯方法相比，該技術(shù)效率高，操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)周期短，大大減少了金黃色葡萄球菌基因組編輯的工作量。課題組還進(jìn)一步對(duì)pCasSA系統(tǒng)進(jìn)行改造，使其能夠有效抑制金黃色葡萄球菌中的基因轉(zhuǎn)錄，從而能夠用于特定基因群和全基因組層面藥物靶標(biāo)的篩選。

這一技術(shù)的研發(fā)大大縮減了金黃色葡萄球菌中基因組編輯的步驟和時(shí)間，將會(huì)促進(jìn)金黃色葡萄球菌中藥物開(kāi)發(fā)、酶學(xué)研究、天然產(chǎn)物發(fā)掘、基因表征等一系列基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的發(fā)展，并促進(jìn)相關(guān)的化學(xué)生物學(xué)和合成生物學(xué)等交叉學(xué)科的發(fā)展。

該項(xiàng)研究工作得到了上科大啟動(dòng)基金、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的支持。

論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b13317

Cas9蛋白晶體結(jié)構(gòu)（左）和使用CRISPR/Cas9系統(tǒng)對(duì)基因組進(jìn)行編輯的示意圖（右）

基于CRISPR/Cas9系統(tǒng)的金黃色葡萄球菌基因組編輯方法。（a）基因組編輯過(guò)程示意圖。（b）利用pCasSA系統(tǒng)在金黃色葡萄球菌RN4220菌株中對(duì)cntA基因進(jìn)行敲除。

季泉江課題組成員：右一，陳未中（第一作者）；左二，張翼飛（第二作者）；左一，季泉江（通訊作者）。