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CRISPR/Cas(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins)系统是近年发展起来的一种新型基因编辑技术,能够通过核苷酸碱基配对,实现对靶基因组的编辑。其中Ⅱ型CRISPR/Cas9系统最为简单,仅由Cas9核酸外切酶与向导RNA(guide RNA,gRNA)即可完成其生物学功能。它是在gRNA的导向作用下将Cas9定位于基因组特定的DNA序列上,进行DNA双链剪切,实现基因组的定向编辑。此外,在Cas9核酸酶的两个切割结构域(RuvC和HNH)中引入突变,获得的核酸酶缺陷型Cas9(dead Cas9,dCas9)不具有切割DNA的功能,但在gRNA介导下仍具有与DNA特异性结合的能力。因此,dCas9能够直接对转录过程进行操控,而不改变DNA序列或者通过招募多种效应器蛋白质对基因进行调控。光是一种自然界普遍存在,容易获得的物质。光作为基因表达诱导物,不仅具有高度可控和无毒性,而且能够在时间和空间上实现基因的精确调控。在本研究中,我们基于光敏二鸟苷酸环化酶Bphs,在远红外光(730 nm)照射下能被激活的原理,首先设计和构建了一种新型的远红外光控CRISPR/Cas9(Far-red light-induced CRISPR/Cas9,FCas9)基因编辑系统,使其能够在时间和空间上对靶基因进行精确的编辑。我们分别从拆分Cas9蛋白结构域,启动子,调控方式,转录激活子,RNA结合蛋白方面对FCas9系统进行优化,证明该系统在哺乳动物细胞中能在远红外光下被激活,完成对靶基因的编辑。另外,分别从光照时间、光照强度、不同的细胞系和编辑不同的基因四个方面,通过一系列动力学实验对FCas9系统进行表征。实验结果表明,在内外源基因编辑上,FCas9系统对光照强度和光照时间都有依赖性且呈现出正相关的关系,并且可以运用于不同的哺乳动物细胞系中。同时,我们还设计和构建了远红外光控CRISPR/dCas9(Far-red light-induced CRISPR/dCas9,FdCas9)系统,通过对其进行不断优化,我们成功筛选到了性能良好的系统。该系统在远红外光的照射下,成功地实现了对内外源基因的转录激活。同样分别从光照时间、光照强度、不同的细胞系和时空特异性四个方面对FdCas9系统进行了动力学表征。结果表明,在内外源基因转录调控上,FdCas9系统对光照强度和光照时间也具有依赖性且呈现出正相关的关系;另外该系统还具有时空特异性,且可运用在不同的哺乳动物细胞系中。最后,我们还将FdCas9系统运用到表观遗传学上,通过将TET1(Ten-eleven translocation 1 protein)蛋白酶与FdCas9系统融合,建立了远红外光控表观遗传CRISPR/dCas9(Far-red light-induced and epigenetic CRISPR/Cas9,FEdCas9)系统,在远红外光的照射下,成功地实现了对内源多种甲基化基因的激活。综上所述,本研究成功地开发了一种新型远红外光控CRISPR/Cas9基因编辑系统,能够在在时间和空间上对靶基因进行精确的编辑,同时具有毒性低、反应速度快等优点,为生物医学研究和临床治疗提供了一种强有力的工具。此外,也为诱导调控型CRISPR/Cas9基因编辑系统开辟了一个新的方向。