携带crispr的珊瑚的热耐受性降低，导致热休克转录因子| PNAS基因突变

由John R. Pringle于2020年9月8日贡献(2019年11月26日发送审核;杰弗里·i·麦克法登和安·m·塔伦特评论)

意义

珊瑚礁是生物多样性的热点地区，具有重要的生态、经济和美学意义。由于气候变化和其他压力因素，珊瑚在全球范围内的数量减少，这使得了解珊瑚对压力反应的分子基础更加紧迫。对珊瑚基因组和基因表达模式的分析已经确定了许多可能在抗逆性中起重要作用的基因，但对它们功能的严格测试将需要分析适当的突变体。在这里，我们使用CRISPR技术表明，在热应激反应中，一个假定的基因表达调控因子的突变缺失确实导致了耐热性的丧失。这样使用CRISPR在珊瑚中产生突变，应该能阐明珊瑚生物学的许多方面，从而有助于指导保护工作。

摘要

造礁珊瑚是受到包括气候变化在内的人为压力威胁的关键物种。为了研究珊瑚对压力的反应及其生物学的其他方面，进行了大量的基因组和转录组学研究，产生了许多关于特定基因和分子途径作用的假说。然而，由于缺乏珊瑚或近亲刺胞动物的遗传工具，一般不可能严格地检验这些假设。CRISPR技术似乎有可能缓解这个问题。事实上，我们在这里展示了微注射单导RNA/Cas9核糖核蛋白复合物到珊瑚的受精卵鹿角可以产生足够高的突变频率来检测注射一代的明确表型。基于在海葵模型系统中的部分实验，我们以编码热休克转录因子1 (HSF1)，获得的幼虫>90%的基因拷贝为突变体。突变体幼虫在27℃下存活良好，但在34℃下迅速死亡，在整个实验过程中，野生型(WT)幼虫或单独注射Cas9的幼虫在34℃下均不能产生可检测的死亡率。我们的结论是，HSF1的功能(可能是它诱导基因响应热应激)在珊瑚中起着重要的保护作用。更广泛地说，我们得出结论，珊瑚中的CRISPR突变应该允许对幼虫和成虫的基因功能进行广泛和严格的测试。

脚注

↵¹现住址:巴尔的摩卡耐基科学研究所胚胎学系，医学博士21218。
↵²信件可以寄给谁。电子邮件:l.bay在{}aims.gov.au或jpringle在}{stanford.edu。

作者贡献:p.a.c.， l.k.b.， J.R.P.设计研究;p.a.c.， a.i.t.和L.K.B.进行了研究;P.A.C、J.B、d.p贡献了新的试剂/分析工具;P.A.C。,A.I.T L.K.B, J.R.P.分析数据;p。a。c。l。k。b。和j。r。p。写了这篇论文。
评审者:墨尔本大学g.i.m.;还有美国海洋研究所，伍兹霍尔海洋研究所。
作者声明乐动足彩没有利益冲突。
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本文包含在线支持信息//www.ychdbjgs.com/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1920779117/-/DCSupplemental。

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参考文献

↵
1. t P。休斯等。
,人类世珊瑚大规模白化的时空格局。科学359,80- - - - - -83(2018)。
OpenUrl 摘要/免费的全文
↵
1. R。Berkelmans,
2. j·K。奥利弗
,大堡礁珊瑚大面积白化。珊瑚礁18,55- - - - - -60(1999)。
OpenUrl CrossRef
↵
1. O。豪厄格-古尔伯格,
2. 大肠。Poloczanska,
3. W。Skirving,
4. 年代。鸽子
,气候变化和海洋酸化下的珊瑚礁生态系统。前面。3月科学。4,158(2017)。
OpenUrl
↵
1. p W。格林
,20世纪80年代的珊瑚礁白化，可能与全球变暖有关。生态发展趋势。另一个星球。(Amst)。6,175- - - - - -179(1991)。
OpenUrl
↵
1. m . S。Burriesci,
2. t·K。拉布,
3. j . R。普林格尔
,葡萄糖是甲藻-刺胞动物共生的主要代谢产物的证据。j . Exp。杂志。215,3467- - - - - -3477(2012)。
OpenUrl 摘要/免费的全文
↵
1. D。Tolleter等。
,独立于光合作用的珊瑚白化。咕咕叫。医学杂志。23,1782- - - - - -1786(2013)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. 大肠。哈姆布赖顿,
2. 一个。Guse,
3. j . R。普林格尔
,珊瑚生物学中海葵模型系统中成虫和幼虫对共生物吸收的相似特性。j . Exp。杂志。217,1613- - - - - -1619(2014)。
OpenUrl 摘要/免费的全文
↵
1. N。Radecker等。
,以开口为模型研究刺胞动物-共生体的代谢相互作用。前面。杂志。9,214(2018)。
OpenUrl CrossRef
↵
1. M。机械舞,
2. 我。Wolfowicz,
3. p。沃斯,
4. 大肠。哈姆布赖顿,
5. 一个。Guse
,刺胞动物内共生模型的发展与共生关系的建立Aiptasia sp。科学。代表。6,19867(2016)。
OpenUrl CrossRef
↵
1. 诉M。Weis,
2. 美国K。戴维,
3. O。豪厄格-古尔伯格,
4. M。Rodriguez-Lanetty,
5. j . R。普林格尔
,模型系统中的细胞生物学是理解珊瑚的关键。生态发展趋势。另一个星球。(Amst)。23,369- - - - - -376(2008)。
OpenUrl
↵
1. j·L。马修斯等。
,刺胞动物-甲藻共生模型中的伙伴转换和代谢通量。Proc,杂志。科学。285,20182336(2018)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. T。Bieri,
2. M。馆,
3. T。香,
4. a。R。格罗斯曼,
5. j . R。普林格尔
,刺胞动物漂白过程中各种细胞机制对藻类损失的相对贡献。《公共科学图书馆•综合》11,e0152693(2016)。
OpenUrl CrossRef
↵
1. 年代。-鲍姆加滕等。
,的基因组Aiptasia这是珊瑚共生的海葵模型。Proc。国家的。学会科学。美国112,11893- - - - - -11898(2015)。
OpenUrl 摘要/免费的全文
↵
1. G。崔等。
,寄主依赖的氮循环作为一种共生控制机制Aiptasia。公共科学图书馆麝猫。15,e1008189(2019)。
OpenUrl CrossRef
↵
1. j . A。Doudna,
2. E。贝纳
,基因组编辑。CRISPR-Cas9基因工程的新前沿。科学346,1258096(2014)。
OpenUrl 摘要/免费的全文
↵
1. j . D。砂光机,
2. j·K。Joung
,用于编辑、调节和靶向基因组的CRISPR-Cas系统。生物科技Nat。》。32,347- - - - - -355(2014)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. H。王,
2. M。拉俄罗斯,
3. l S。气
,CRISPR/Cas9在基因组编辑和更多。为基础。学生物化学启。85,227- - - - - -264(2016)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. p。克利夫斯,
2. m E。斯特拉瓦迪演奏,
3. l·K。湾,
4. j . R。普林格尔,
5. m V。Matz
,CRISPR/ cas9介导的造礁珊瑚基因组编辑。Proc。国家的。学会科学。美国115,5235- - - - - -5240(2018)。
OpenUrl 摘要/免费的全文
↵
1. f·M。Ritossa
,果蝇多线染色体特异性位点的实验激活。Exp。细胞Res。35,601- - - - - -607(1964)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. 一个。Spradling,
2. 年代。笔者,
3. m . L。Pardue
,果蝇mRNA原位杂交分析:正常和热激培养细胞转录序列。细胞4,395- - - - - -404(1975)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. 年代。林奎斯特
,热冲击-比较果蝇和酵母。j . Embryol。Exp Morphol。83,147- - - - - -161(1984)。
OpenUrl
↵
1. d . J。Barshis等。
,珊瑚适应气候变化的基因基础。Proc。国家的。学会科学。美国110,1387- - - - - -1392(2013)。
OpenUrl 摘要/免费的全文
↵
1. E。迈耶,
2. g . V。Aglyamova,
3. m V。Matz
,分析珊瑚幼虫的基因表达反应(鹿角)到升高温度和沉降诱导剂使用一种新的RNA-Seq程序。摩尔。生态。20.,3599- - - - - -3616(2011)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. Y。石井等。
,刺胞动物-甲藻内共生关系中基因表达谱的全球变化。G3(贝塞斯达)9,2337- - - - - -2347(2019)。
OpenUrl 摘要/免费的全文
↵
1. N。Traylor-Knowles,
2. n . H。玫瑰,
3. 大肠。表,
4. s R。所有
,珊瑚在高温胁迫下的早期转录反应疣雅辛托斯。医学杂志。公牛。232,91- - - - - -One hundred.(2017)。
OpenUrl CrossRef
↵
1. r . L。海斯,
2. c . M。王
,高温对石珊瑚70-kD热休克蛋白的诱导:对珊瑚白化的意义。摩尔。3月杂志。Biotechnol。4,36- - - - - -42(1995)。
OpenUrl PubMed
↵
1. p。克利夫斯,
2. c·J。Krediet,
3. e . M。莱纳特,
4. M。馆,
5. j . R。普林格尔
,洞见在热应激下珊瑚白化从分析基因表达在一个海葵模型系统。Proc。国家的。学会科学。美国117,28906- - - - - -28917(2020)。
OpenUrl 摘要/免费的全文
↵
1. N。Rosic等。
,造礁珊瑚的早期转录变化疣粗对热量和营养胁迫的反应。BMC基因组学15,1052(2014)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. d·R。麦克米伦,
2. X。肖,
3. l邵,
4. K。格雷夫斯,
5. i . J。便雅悯
,热休克转录因子1的靶向破坏可消除热耐受性和对热诱导的凋亡的保护。生物。化学。273,7523- - - - - -7528(1998)。
OpenUrl 摘要/免费的全文
↵
1. G。Wiederrecht,
2. D。濑户,
3. c·S。帕克
,基因编码的分离酿酒酵母热休克转录因子。细胞54,841- - - - - -853(1988)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. R。Gomez-Pastor,
2. e . T。Burchfiel,
3. d . J。蒂埃尔
,热休克转录因子的调控及其在生理和疾病中的作用。Nat. Rev. Mol细胞生物学。19,4- - - - - -19(2018)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. W。夏等。
,突变热休克转录因子对耐受性的调节。细胞应激陪伴4,8- - - - - -18(1999)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. 年代。Dayalan Naidu,
2. a . T。Dinkova-Kostova
,哺乳动物热休克因子的调控。2月J。284,1606- - - - - -1627(2017)。
OpenUrl
↵
1. J。Napetschnig,
2. H。吴
,NF-κB信号通路的分子基础。为基础。启Biophys。42,443- - - - - -468(2013)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. Q。张,
2. m·J。Lenardo,
3. D。巴尔的摩
,NF-κB的30年:与人类病理生物学的相关性开花结果。细胞168,37- - - - - -57(2017)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. 一个。肖等。
,斑马鱼中TALENs和CRISPR/Cas介导的染色体缺失和倒位。核酸Res。41,e141(2013)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. X。陈等。
,用CRISPR/Cas9技术敲除双sgrna基因秀丽隐杆线虫。科学。代表。4,7581(2014)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. s M。桑德斯等。
,CRISPR/ cas9介导的基因敲除Hydractinia symbiolongicarpus。BMC基因组学19,649(2018)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. 一个。Mazo-Vargas等。
,宏观进化论的转变WntA功能增强蝴蝶翅型多样性。Proc。国家的。学会科学。美国114,10701- - - - - -10706(2017)。
OpenUrl 摘要/免费的全文
↵
1. k . E。Kistler,
2. l . B。Vosshall的,
3. b . J。马修斯
,用CRISPR-Cas9对蚊子进行基因组工程埃及伊蚊。细胞的代表。11,51- - - - - -60(2015)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. N。录像,
2. m Q。马丁代尔
,CRISPR敲除揭示了古老神经肽在调节海葵发育时间的内源性作用。eLife7,e39742(2018)。
OpenUrl
↵
1. g。Sunagawa等。
,哺乳动物无交叉反向遗传学揭示NR3a是短睡眠基因。细胞的代表。14,662- - - - - -677(2016)。
OpenUrl CrossRef
↵
1. F。Tatsuki等。
,钙依赖型超极化与哺乳动物睡眠时间的关系。神经元90,70- - - - - -85(2016)。
OpenUrl
↵
1. B。周等。
,对原代编码细胞系K562进行全面、完整和阶段性的全基因组分析。基因组Res。29,472- - - - - -484(2019)。
OpenUrl 摘要/免费的全文
↵
1. J。周等。
,双sgRNAs有助于CRISPR/ cas9介导的小鼠基因组靶向。2月J。281,1717- - - - - -1725(2014)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. N . N。Rosic,
2. M。Pernice,
3. 年代。鸽子,
4. 年代。邓恩,
5. O。豪厄格-古尔伯格
,共生甲藻对热应激反应的胞质热休克蛋白Hsp70和Hsp90的基因表达谱:可能对珊瑚白化有影响。细胞应激陪伴16,69- - - - - -80(2011)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. D。Abrego,
2. k . E。Ulstrup,
3. b . L。威利斯,
4. m . j . H。范Oppen
,藻类内共生体和珊瑚宿主之间的物种特异性相互作用决定了它们对热和光胁迫的漂白反应。Proc,杂志。科学。275,2273- - - - - -2282(2008)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. g . B。迪克森等。
,珊瑚礁。跨纬度珊瑚耐热性的基因组决定因素。科学348,1460- - - - - -1462(2015)。
OpenUrl 摘要/免费的全文
↵
1. Y。羽等。
,毒蕈碱乙酰胆碱受体Chrm1和Chrm3对快速眼动睡眠至关重要。细胞的代表。24,2231- - - - - -2247. e7(2018)。
OpenUrl
↵
1. 一个。本德,
2. j . R。普林格尔
,利用筛选合成致死突变体和多拷贝抑制突变体来识别两个参与形态发生的新基因酿酒酵母。摩尔。细胞。医学杂志。11,1295- - - - - -1305(1991)。
OpenUrl 摘要/免费的全文
↵
1. D。波兰等。
,的变化Symbiodinium社区青少年Briareum asbestinum(刺胞动物:八珊瑚纲)在时间和空间尺度上。3月生态。掠夺。爵士。476,23- - - - - -37(2013)。
OpenUrl
↵
1. M。Coffroth,
2. 年代。桑托斯,
3. T。摘要
,刺胞动物-藻类共生中特异性的早期个体发生表达。3月生态。掠夺。爵士。222,85- - - - - -96(2001)。
OpenUrl CrossRef
↵
1. V。Weis,
2. W。雷诺兹,
3. M。DeBoer,
4. D。克虏伯
,宿主-共生的专一性在甲藻之间的共生开始Symbiodinium石纹珊瑚的浮藻幼虫蕈珊瑚scutaria。珊瑚礁20.,301- - - - - -308(2001)。
OpenUrl CrossRef
↵
1. 我。Wolfowicz等。
,Aiptasia以刺胞动物幼虫为模型揭示其共生选择机制。科学。代表。6,32366(2016)。
OpenUrl CrossRef
↵
1. D。Abrego,
2. m . j . H。范Oppen,
3. b . L。威利斯
,藻类内共生体特异性的起病在密切相关的物种疣在个体发育早期的珊瑚。摩尔。生态。18,3532- - - - - -3543(2009)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. f·J。波洛克等。
,珊瑚幼虫的恢复和研究:一种大规模的抚育方法鹿角幼虫，诱导沉降，建立共生关系。PeerJ5,e3732(2017)。
OpenUrl
↵
1. k . H。锋利的,
2. j . M。德,
3. k B。里奇,
4. l麦克丹尼尔,
5. 诉J。保罗
,在珊瑚礁中诱导幼虫沉降Porites astreoides被培育的海洋生物Roseobacter应变。医学杂志。公牛。228,98- - - - - -107(2015)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. Y。Yasuoka,
2. C。Shinzato,
3. N。Satoh
,mesoderm-forming基因brachyury调节珊瑚的外胚层与内胚层的界限疣digitifera。咕咕叫。医学杂志。26,2885- - - - - -2892(2016)。
OpenUrl CrossRef
↵
1. X。徐,
2. l S。气
,用于基因工程和合成生物学的CRISPR-dCas工具箱。j·摩尔,杂志。431,34- - - - - -47(2019)。
OpenUrl CrossRef
↵
1. 一个。Karabulut,
2. 年代。他,
3. 彭译葶。陈,
4. 美国一个。麦金尼,
5. m . C。吉布森
,电穿孔短发夹rna在海葵中快速高效的基因敲除，Nematostella vectensis。Dev,杂志。448,7- - - - - -15(2019)。
OpenUrl CrossRef
↵
1. J。Anckar,
2. lSistonen
,热应激反应中HSF1功能的调节:与衰老和疾病的关系。为基础。学生物化学启。80,1089- - - - - -1115(2011)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. r . J。普拉特等。
,CRISPR-Cas9敲除小鼠基因组编辑和癌症建模。细胞159,440- - - - - -455(2014)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. y . J。刘,
2. M。阿兰达,
3. c·R。Voolstra
,Reefgenomics。海洋基因组学数据的存储库。数据库(牛津)2016,baw152(2016)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. H。应等。
,珊瑚的全基因组序列鹿角。基因组医学杂志。另一个星球。11,1374- - - - - -1379(2019)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. 一个。火山泥等。
,珊瑚的全转录组分析鹿角揭示了对CO的复杂反应₂在钙化开始过程中驱动酸化。摩尔。生态。21,2440- - - - - -2454(2012)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. B。Langmead,
2. s . L。扎尔茨贝格
,快速间隙读取对齐领结2。Nat方法。9,357- - - - - -359(2012)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. 年代。尼尔森,
2. Y。Yuzenkova,
3. N。Zenkin
,真核RNA聚合酶III转录终止的机制。科学340,1577- - - - - -1580(2013)。
OpenUrl 摘要/免费的全文
↵
1. R。洛伦兹等。
,ViennaRNA包2.0。算法摩尔。生物。6,26(2011)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. H。Nishimasu等。
,Cas9的晶体结构与引导RNA和目标DNA的复合物。细胞156,935- - - - - -949(2014)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. f。跑等。
,使用CRISPR-Cas9系统的基因组工程。Protoc Nat。8,2281- - - - - -2308(2013)。
OpenUrl CrossRef PubMed
↵
1. p . I。卡尔克撒等。
,交叉增强和高保真SpCas9核酸酶，以优化特异性和切割。基因组医学杂志。18,190(2017)。
OpenUrl CrossRef
↵
1. J。Tycko,
2. 诉E。迈尔,
3. p D。许
,优化CRISPR-Cas9基因组编辑特异性的方法。摩尔。细胞63,355- - - - - -370(2016)。
OpenUrl CrossRef PubMed