基于CRISPR技術的磷脂酰絲氨酸合成酶基因功能驗證研究

磷脂酰絲氨酸合成酶（PSS）基因負責合成磷脂酰絲氨酸（PS），而磷脂酰絲氨酸作為真核生物膜關鍵的帶負電甘油磷脂，在細胞凋亡、膽固醇轉運等諸多生理過程中作用關鍵。CRISPR/Cas9技術憑借精準、高效的基因編輯優(yōu)勢，常通過基因敲除、定點突變、過表達等策略驗證該基因功能，目前已在植物、哺乳動物、微生物等不同研究對象中取得諸多成果，以下是具體的研究思路和相關實例解析：

基因敲除策略：驗證基因核心生理功能

該策略通過CRISPR/Cas9敲除目標生物的磷脂酰絲氨酸合成酶基因，對比敲除株與野生株在磷脂酰絲氨酸含量、細胞生理狀態(tài)及特定表型上的差異，明確基因的基礎功能。

植物領域：中國科學院植物研究所團隊針對鹽生植物鹽角草，構建了其磷脂酰絲氨酸合成酶基因（SePSS）的CRISPR/Cas9基因打靶載體，并在鹽角草愈傷組織中表達。結果顯示，基因打靶后的鹽角草細胞靶位點出現(xiàn)不同程度突變，磷脂酰絲氨酸的含量顯著降低，細胞質膜在高鹽環(huán)境下發(fā)生明顯去極化，且在200mM NaCl處理下表現(xiàn)出敏鹽現(xiàn)象；而野生型和過表達SePSS的細胞系則能維持膜極性和耐鹽性，以此證實 SePSS通過調控細胞質膜極化參與鹽角草的適鹽反應。

哺乳動物細胞領域：研究人員在人類SV589細胞中通過CRISPR篩選發(fā)現(xiàn)，敲除磷脂酰絲氨酸合成酶1基因（PTDSS1）后，細胞內磷脂酰絲氨酸含量下降。此時低密度脂蛋白（LDL）來源的膽固醇雖能離開溶酶體，但無法正常轉運至內質網(wǎng)，轉而在質膜積累；而外施磷脂酰絲氨酸可恢復膽固醇向內質網(wǎng)的轉運。這一結果證明PTDSS1合成的磷脂酰絲氨酸是膽固醇從質膜向內質網(wǎng)轉運的關鍵調控因子，保障細胞膽固醇穩(wěn)態(tài)。

定點突變策略：解析基因關鍵功能位點

該策略借助CRISPR/Cas9對磷脂酰絲氨酸合成酶基因的特定堿基進行編輯，實現(xiàn)酶活性中心或底物結合位點的定點突變，進而明確基因中關鍵氨基酸殘基的作用，深入探究酶的催化機制。李曉淳團隊在人類PSS1基因的研究中便采用了此方式：一方面，通過CRISPR技術構建了PSS1P269S功能獲得性突變體，實驗證實該突變體相較于野生型PSS1，催化合成磷脂酰絲氨酸的活性更強，而這種突變會導致Lenz-Majewsk綜合征；另一方面，針對PSS1催化中心的組氨酸H172構建了H172A突變體，發(fā)現(xiàn)該突變體幾乎喪失催化活性，同時若苯丙氨酸F168等底物結合相關殘基發(fā)生突變，酶活性也會顯著受抑，這些結果明確了H172是PSS1催化磷脂酰絲氨酸合成的核心位點，而F168等殘基對底物結合至關重要。

基因過表達策略：強化基因功能關聯(lián)性驗證

該策略通過CRISPR介導的基因定點整合，將磷脂酰絲氨酸合成酶基因插入細胞基因組的高表達區(qū)域，使基因過量表達，觀察磷脂酰絲氨酸合成及下游生理過程的強化效應，進一步佐證基因功能。例如在鹽角草的研究中，研究人員通過CRISPR相關的載體構建實現(xiàn)SePSS基因的過表達，結果顯示過表達細胞系中SePSS轉錄本數(shù)量顯著上升，磷脂酰絲氨酸的含量同步增加，鹽角草在高鹽環(huán)境下保持細胞質膜極性的能力顯著增強，耐鹽性提升，與基因敲除株的敏鹽表型形成鮮明對比，從正反兩方面驗證了SePSS對植物耐鹽性的調控作用。此外，在哺乳動物細胞中，過表達PTDSS1可促進磷脂酰絲氨酸合成，進而增強膽固醇向內質網(wǎng)的轉運，緩解膽固醇在質膜的異常積累，進一步印證其在膽固醇代謝中的調控功能。

多重編輯策略：探究基因家族的協(xié)同作用

部分生物中存在多種磷脂酰絲氨酸合成酶同源基因，如哺乳動物的PTDSS1和PTDSS2，利用CRISPR技術可同時對多個同源基因進行編輯，探究它們的功能冗余或特異性。研究發(fā)現(xiàn)，單獨敲除小鼠的PTDSS1或PTDSS2基因，小鼠均可存活，這表明兩者在功能上存在一定冗余；但同時敲除這兩個基因則會導致小鼠致死，該結果說明這兩個基因共同介導磷脂酰絲氨酸合成，是維持小鼠生命活動不可或缺的關鍵基因，且無法被彼此完全替代，為解析基因家族的協(xié)同作用提供了直接證據(jù)。

本文來源于理星（天津）生物科技有限公司官網(wǎng) http://wjcb.org.cn/