CRISPR/Cas9诱导生物发光报告系统恢复技术在植物单细胞基因表达分析中的应用

《Scientific Reports》：A CRISPR/Cas9-induced restoration of bioluminescence reporter system for single-cell gene expression analysis in plants

本研究针对植物单细胞基因表达分析中传统荧光报告系统存在光损伤、背景干扰及报告基因拷贝数异质性大等问题，开发了一种基于CRISPR/Cas9诱导生物发光恢复的报告系统（CiRBS）。通过将失活的荧光素酶突变体LUC40Ins26bp整合至拟南芥基因组，并利用粒子轰击转染CRISPR/Cas9元件，成功在单细胞水平实现长期稳定的基因表达监测。该系统显著降低了细胞间比较的偏差，为揭示植物细胞自主性节律及基因表达噪声提供了可靠工具。

　　

在多细胞生物中，基因表达是生命活动的基础，但每个细胞的基因表达既受协调调控，又存在随机波动。这种“基因表达噪声”被认为可能影响细胞功能，然而目前尚缺乏在组织或个体水平上揭示单细胞随机性作用的研究。植物昼夜节律系统是一个典型的细胞自主振荡系统，由多个时钟基因通过转录-翻译反馈环构成。传统研究中，通过将时钟基因与荧光蛋白融合并在转基因拟南芥中利用共聚焦显微镜监测其表达，虽能揭示细胞类型特异性节律，但荧光报告系统存在明显局限：激发光可能导致光损伤或引发非预期光响应，且无法在黑暗环境下长期监测。

相比之下，萤火虫荧光素酶（LUC）作为生物发光报告基因，在添加荧光素底物后即可发光，无需激发光，具备非侵入性、适合长期监测等优势。以往研究多采用稳定表达LUC的转基因植株，但其空间分辨率不足以实现单细胞成像。而通过粒子轰击法将LUC报告基因瞬时转染至植物细胞（如浮萍）虽可实现单细胞观测，但存在报告基因拷贝数异质性大（导致发光强度差异达千倍）、发光强度随时间衰减等问题，限制了细胞间基因表达行为的比较。

为解决上述问题，研究团队开发了CRISPR/Cas9诱导生物发光报告系统恢复技术（CiRBS）。该系统核心思路是：在转基因植物基因组中整合一个失活的LUC突变体（LUC40Ins26bp），该突变体在第40个密码子处插入26 bp序列，导致移码和提前终止密码子，从而丧失酶活性。通过粒子轰击将CRISPR/Cas9元件（含靶向插入序列的sgRNA和Cas9表达载体）转染至植物细胞，诱导双链断裂（DSB）并通过非同源末端连接（NHEJ）修复产生插入/缺失（indel），使部分细胞恢复LUC活性，从而实现单细胞水平基因表达长期监测。

研究主要技术方法包括：利用粒子轰击法将CRISPR/Cas9载体转染至浮萍或拟南芥叶片细胞；通过高灵敏度EM-CCD相机进行单细胞生物发光成像；构建含CaMV35S或昼夜节律基因启动子（如AtCCA1）驱动的LUC突变体载体；通过农杆菌介导法获得转基因拟南芥株系；采用定量PCR验证基因表达。

结果1：LUC40Ins26bp作为CiRBS最佳报告基因的筛选

通过比较6个不同插入位点（第2、40、106、239、378、491密码子）的LUC突变体发现，LUC40Ins24bp（24 bp插入）保留与野生型LUC相近的发光活性和光谱特征，而LUC40Ins26bp（26 bp插入）因移码和终止密码子完全失活。浮萍细胞中转染CaMV35S::LUC40Ins26bp几乎无发光信号，但共转染CRISPR/Cas9载体后生物发光显著恢复，证实NHEJ修复可有效逆转突变。

结果2：CiRBS在转基因拟南芥中的验证与应用

在转基因拟南芥株系LUC40Ins26bp#28-3（纯合单拷贝）中，粒子轰击转染CRISPR/Cas9载体后8小时开始检测到发光斑点，24小时内数量稳定增加，且发光可持续一周以上。与瞬时转染CaMV35S::LUC+相比，CiRBS恢复的发光信号更稳定，细胞间强度差异显著缩小（10倍以内）。通过计算细胞倍性与重组概率，推测94%的发光恢复细胞仅携带一条染色体发生最优重组，表明CiRBS能真实反映单拷贝基因座表达水平。

结果3：单细胞基因表达波动与异质性分析

对CiRBS恢复的发光斑点进行长期监测发现，同一叶片内不同细胞的发光波动具有异步性，提示其可能反映基因组中组成型启动子（CaMV35S）的转录随机性。此外，发光强度波动范围远低于瞬时转染系统（100倍以上），证实CiRBS在比较细胞间基因表达行为方面的可靠性。

本研究开发的CiRBS技术首次实现了植物单细胞内基因组整合报告基因的长期、稳定观测，克服了传统瞬时转染系统中报告基因拷贝数异质性和信号衰减的局限。通过结合CRISPR/Cas9基因编辑与生物发光成像，该系统为在单细胞水平解析基因表达噪声、细胞间异质性及昼夜节律等生理过程提供了新工具。未来可通过引入双色发光报告系统或诱导型CRISPR/Cas9载体进一步拓展应用范围，助力植物细胞生物学研究迈向更高时空精度。