نحدد نهجا قابلا للتكيف بدرجة كبيرة لاستخدام الاستئصال الجيني بوساطة البروتين النووي الريبي المركب CRISPR-Cas9 في خلايا CD4 T الساذجة في الفئران للتحقيق في وظيفة الجينات في تمايز الخلايا التائية CD4.
مقالة منهجية
نحدد نهجا قابلا للتكيف بدرجة كبيرة لاستخدام الاستئصال الجيني بوساطة البروتين النووي الريبي المركب CRISPR-Cas9 في خلايا CD4 T الساذجة في الفئران للتحقيق في وظيفة الجينات في تمايز الخلايا التائية CD4.
جعلت إمكانية الوصول الواسع النطاق لتقنية التكرار القصير المتجانس العنقودية (CRISPR) -Cas9 استهداف الجينات في الخلايا الأولية طريقة روتينية لتقييم وظيفة الجينات في الخلايا التائية. نظرا للتكلفة والتوافر المحدود لسلالات الفأر بالضربة القاضية (KO) ، فإن اختبار الفرضيات الأولية التي تنطوي على وظيفة الجينات في الخلايا التائية يمكن أن يكون باهظا باستخدام النماذج الحيوانية المستهدفة بالجينات. ومع ذلك ، باستخدام الموارد المتاحة تجاريا ، بما في ذلك دليل الحمض النووي الريبي المصمم مسبقا (gRNAs) ، يمكن للباحثين إنشاء خلايا تائية ساذجة مستهدفة للجينات يمكن استخدامها لتنشيط الخلايا التائية ودراسات التمايز.
نحدد هنا بروتوكولا لاستخدام مجمعات البروتين النووي الريبي CRISPR-Cas9 (RNPs) التي يتم تسليمها بواسطة النواة لتوليد خلايا CD4 T الساذجة للجين KO الفئران بكفاءة والتي يمكن استخدامها لتقييم وظيفة الجينات في تمايز الخلايا التائية CD4 ، في المختبر. يضمن عزل خلايا CD4 T الساذجة عن الأعضاء اللمفاوية الثانوية للفأر ، متبوعا بالنواة بمجمعات Cas9-gRNA بدء تشغيل الجين KO قبل تنشيط الخلايا التائية النهائية ، مما يوفر ميزة استراتيجية على توصيل الحمض النووي الريبي بوساطة الفيروسات القهقرية ، والذي يتطلب عادة التنشيط المسبق للخلايا التائية ، مما يمنع تقييم التأثيرات في الخلايا التائية الساذجة. علاوة على ذلك ، تتجاوز هذه الطريقة القائمة على النواة المشكلات التنموية المحتملة المرتبطة بحيوانات KO الجينية.
بعد تسليم Cas9-gRNA ، نصف بروتوكولات دراسة تمايز الخلايا التائية CD4 إلى سلالات Th1 و Th2 و Th17 و Treg باستخدام الاستقطاب في المختبر . بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذا البروتوكول قابل للتكيف مع استخدام خلايا CD4 أو CD8 T المستهدفة جينات للعديد من التطبيقات النهائية ، بما في ذلك دراسات تنشيط الخلايا التائية الأخرى في المختبر ودراسات النقل بالتبني في الجسم الحي. أدى استخدام طرق CRISPR-Cas9 إلى تبسيط قدرتنا على تقييم وظيفة الجينات في الخلايا التائية ويسمح ب KO الروتيني للعديد من الجينات ذات الأهمية ، مما يحرر الباحثين من القيود المرتبطة بدراسة KO الجينية.
أدى استخدام التقنيات القائمة على التكرار القصير المتجانس (CRISPR) العنقودية المتباعدة بانتظام إلى تحويل قدرتنا على التلاعب بتسلسلات الحمض النووي الجينومي ، مما عزز بشكل كبير قدرتنا على دراسة وظيفة الجينات في عدد لا يحصى من الأنظمة البيولوجية. فيما يتعلق بالخلايا التائية CD4 ، ظهرت طرق تستخدم مجمعات البروتين النووي الريبي CRISPR-Cas9 (RNP) ، مما يسهل خروج الضربة القاضية الجيني الفعال (KO) في الخلايا التائية الأولية الساذجة التي يمكن استخدامها في الدراسات في المختبر وفي الجسم الحي 1،2،3،4. غالبا ما يكون تحديد الجينات المفترضة الجديدة التي تنظم تمايز الخلايا التائية CD4 مدفوعا بالتحليلات النسخية والجينية ، مما يولد أهدافا جديدة يمكن أن يكون هناك القليل من الموارد أو التي يصعب الحصول عليها للتحقيق فيها ، خاصة إذا كان الجين يؤثر على أنسجة متعددة وقد يتطلب تقييما باستخدام الفئران المشروطة التي تستهدف الجينات. تم استخدام استهداف الجينات عن طريق نقل الفيروسات القهقرية ل gRNAs5،6 لتقييم وظيفة الجينات في الخلايا التائية ، ومع ذلك يتطلب تنشيط الخلايا التائية للعدوى الفيروسية القهقرية ، ولا يمكن استخدامه لاستهداف الجينات في الخلايا التائية الساذجة. يوفر CRISPR-Cas9 الذي يتم تسليمه بواسطة Nucleofection في الخلايا التائية الساذجة أداة بديلة غير مكلفة وسريعة نسبيا للتحقق من صحة الجينات الجديدة ذات الأهمية واستجوابها قبل الاستثمار في نماذج الفئران التي تستغرق وقتا طويلا ومكلفة.
في بروتوكولنا الموضح هنا ، يتم إجراء تحرير الجينات بوساطة CRISPR-Cas9 باستخدام بروتين Cas9 المؤتلف المركب بجزيئات دليل الحمض النووي الريبي (gRNA) التي يتم تسليمها إلى خلايا CD4 T الساذجة عن طريق النواة. يتكون gRNA من مكونين متميزين ، CRISPR RNA المنشط عبر التنشيط (tracrRNA) و CRISPR RNA (crRNA). من الناحية الوظيفية ، تسهل التسلسلات المشتقة من tracrRNA ارتباط gRNA ب Cas9 ، بينما تحتوي تسلسلات crRNA على خصوصية لمناطق الحمض النووي المستهدفة ذات الأهمية. تتوسط مجمعات Cas9-gRNA فواصل الحمض النووي المستهدف مزدوج الشريطة (dsDNA) ، حيث تتوسط gRNAs خصوصية تسلسل نشاط نوكلياز Cas97،8. يؤدي انقسام dsDNA بوساطة Cas9 إلى تعطيل الجينات ، من خلال توليد طفرات indel بعد انضمام نهاية غير متماثلة في الخلايا المستهدفة9. في هذا البروتوكول ، نوصي باستخدام العديد من gRNAs التي تستهدف الجينات ذات الأهمية لضمان KO قوي في خلايا CD4 T الساذجة.
تعد الخلايا التائية المساعدة CD4 لاعبا رئيسيا في الجهاز المناعي ، حيث توجه الاستجابات المناعية من خلال إنتاج مجموعة متنوعة من السيتوكينات التي تعدل وظيفة العديد من أنواع الخلايا المناعية. عند التحفيز من خلال مستقبلات الخلايا التائية (TCR) في وجود سيتوكينات معينة ، يمكن لخلايا CD4 T الساذجة أن تتمايز إلى سلالات مميزة من خلايا CD4 التائية المساعدة التائية (Th) ، بما في ذلك Th1 و Th2 و Th17 والخلايا التائية التنظيمية (Treg) 10،11،12. إن تحديد سلالات الخلايا التائية CD4 المميزة هذه هو التعبير عن عوامل نسخ محددة تحدد النسب (TFs) والسيتوكينات (الشكل 1). يمكن نمذجة تمايز الخلايا التائية CD4 باستخدام الاستقطاب في المختبر 13،14،15 ، باستخدام خلايا CD4 T الساذجة التي يتم تنشيطها من خلال TCR في وجود السيتوكينات المعززة للنسب وتمنع الأجسام المضادة التي تمنع التبني غير المناسب.
يوفر الجمع بين استهداف جين CRISPR-Cas9 في خلايا CD4 T الساذجة مع استقطاب الخلايا التائية CD4 في المختبر نظاما قويا لتقييم وظيفة الجينات في هذه الخلايا (الشكل 2). نظرا للتوافر الواسع النطاق للكواشف لتقييم تمايز CD4 عن طريق قياس التدفق الخلوي ، يمكن بسهولة استجواب الجوانب الرئيسية لتمايز الخلايا التائية CD4 ، بما في ذلك تعبير TF وإنتاج السيتوكين ، باستخدام البروتوكولات الموضحة هنا. يعزز تحديد الجينات الجديدة التي تنظم وظيفة الخلايا التائية CD4 فهمنا لهذه الخلايا ، وتوفر طرق CRISPR-Cas9 المقترنة بالاستقطاب في المختبر طريقة قوية لتقييم وظيفة الجينات قبل الالتزام بنماذج الفئران الجينية KO.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
بالنسبة لجميع الإجراءات الموضحة هنا ، استخدمنا الفئران C57 / BL6J من النوع البري (WT). تم الحفاظ على الفئران ومعالجتها في ظل ظروف محددة خالية من مسببات الأمراض (SPF) وفقا لإرشادات NIAID (بروتوكول LISB-22E) ولجان رعاية واستخدامه في المعاهد الوطنية للصحة (ضمان رعاية #A-4149-01).
1. اعتبارات قبل البدء
2. عزل الخلايا التائية CD4 الساذجة
ملاحظة: يمكن عزل خلايا CD4 التائية الساذجة باستخدام العزل المغناطيسي أو من خلال فرز الخلايا. عادة ما يكون النقاء الذي يتم الحصول عليه من العزل المغناطيسي 97٪ ، وتكون صلاحية الخلية عالية جدا ، في حين أن الفرز الإلكتروني يمكن أن يحسن نقاء الخلية على حساب بقاء الخلية. سيستخدم البروتوكول الموصوف هنا العزل المغناطيسي ولكن يمكن تكييفه مع أي من السيناريوهين. تأكد من إعداد أعمدة LS بشكل مناسب (جدول المواد).
3. تشكيل مركب Cas9-gRNA
ملاحظة: قم بإعداد التحكم السلبي ومخزون crRNA الخاص بالجينات. نحن نحدد استخدام crRNA فريد واحد لظروف التحكم السلبية وثلاثة crRNAs فريدة لظروف استهداف الجينات. يضمن استخدام ثلاثة crRNAs متميزة في وقت واحد KO للجينات ذات الأهمية.
4. Nucleofection - استئصال الجينات بوساطة Cas9-gRNA
5. عزل الخلية العارضة للمستضد (APC)
ملاحظة: تأكد من تحضير كاشف الميتومايسين ، والذي سيتم استخدامه لمعالجة ناقلات الجنود المدرعة بعد العزل (جدول المواد). اقرأ بروتوكول microbead المضاد ل FITC الخاص بالشركة المصنعة قبل البدء وتأكد من إعداد أعمدة LS بشكل مناسب (جدول المواد).
6. تمايز الخلايا التائية CD4
ملاحظة: تم تعيين هذا البروتوكول على زراعة الخلايا بتنسيق لوحة 48 بئرا -2 × 105 CD4 الساذج + 1 × 106 APC لكل بئر - نسبة 1: 5. يتم زراعة الخلايا في وسائط IMDM كاملة. هنا ، سنوفر شروطا لتمايز خلايا Th1 و Th2 و Th17 و Treg CD4 T ؛ ومع ذلك ، يمكن اختيار شروط النسب الفردية اعتمادا على تركيز المستخدم.
7. تقييم تأثير الاستئصال الجيني في تمايز الخلايا التائية CD4
ملاحظة: لجميع خطوات التلوين ، قم بإعداد مزيج رئيسي من الأجسام المضادة المضافة عند التخفيف المناسب إلى مخزن التلوين المطلوب. يتم استخدام حجم 50 ميكرولتر من كوكتيل الجسم المضاد / العازلة لكل عينة. اضبط الأجسام المضادة المحددة المستخدمة بناء على التجربة. يجب على المستخدمين اختيار لوحات الأجسام المضادة ذات الصلة بتجاربهم المحددة. نقدم هنا نموذجا يمكن من خلاله التعامل مع هذا في سياق الجينات المستهدفة هنا.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
للتحقق من أنه تم الحصول على مجموعة نقية من خلايا CD4 T الساذجة باستخدام بروتوكولنا (القسم 2) ، استخدمنا قياس التدفق الخلوي لتحديد هذه الخلايا قبل وبعد العزل المغناطيسي. باستخدام نهجنا ، حصلنا على مجموعة نقية للغاية من خلايا CD4 + TCRb + CD25-CD44-CD62L + خلايا CD4 T الساذجة بعد العزل (الشكل 3 أ). علاوة على ذلك ، للتأكد من أن مجمعات Cas9-gRNA قد تم تحويلها بنجاح إلى خلايا CD4 T الساذجة (القسم 4) ، أجرينا ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يوفر دمج بروتوكولات توصيل مجمعات CRISPR-Cas9 في خلايا CD4 T الساذجة مع طرق لدراسة تمايز الخلايا التائية CD4 أداة قوية لاستكشاف الجينات الجديدة التي تنظم بيولوجيا الخلايا التائية CD4. هنا ، نقدم دليلا شاملا لاستخدام كواشف Cas9 و gRNA المتوفرة تجاريا والتي يسهل التعامل معها. يوفر التوصيل بوساطة Nucleofection لمجمعات Cas9-gRNA إلى خلايا CD4 T الساذجة تحريرا جينيا عالي الكفاءة ، مما يسهل الضربة القاضية شبه الكاملة للجينات ذات الأهمية. بالإضافة إلى ذلك ، يسمح تحليل قياس التدفق الخلوي لخلايا C...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإعلان عنه.
تم دعم هذا البحث من قبل برنامج البحوث الداخلية التابع ل NIAID ، المعاهد الوطنية للصحة.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 0.5 م EDTA ، الرقم الهيدروجيني = 8.0 | IPM Scientific | 11005-016 | |
| 16٪ بارافورمالدهيد ، PFA | Electron Microscopy Sciences | 15710 | تمييع مع PBS لصنع محلول مثبت PFA بنسبة 4 |
| 1x eBioscience Buffer (1x buffer permeabilization) | Thermo Fisher Scientific | 00-5523-00 | استخدم مخزن النفاذية من المجموعة لعمل محلول 1x |
| 1x PBS ، درجة الحموضة = 7.4 | الجودة البيولوجي | 114-058-101 | |
| 2-mercaptoethanol (1000x) | Gibco | 21985-023 | |
| 4D Nucleofector Core Unit | Lonza | AAF-1003B | |
| 4D Nucleofector X Unit | Lonza | AAF-1003X | |
| 60 مم طبق | فالكون | 353002 | |
| 70 & micro ؛ مصفاة شبكية من النايلون | م فيشربراند | 22363548 | |
| ACK Lysing Buffer | Gibco | A10492-01 | |
| Amaxa P3 Primary Cell 4D-Nucleofector X Kit | Lonza | V4XP-3032 | تتضمن هذه المجموعة: محلول الخلية الأولية P3 ، الملحق 1 ، وشرائط النولوكوفيت المكونة من 16 بئرا |
| مضادة للميكروبيدات FITC | Miltenyi Biotec | 130-048-701 | اتبع بروتوكول Miltenyi Anti-FITC Microbeads |
| مضاد للفأر CD28 (37.51) | bioXcell | BE0015-1 | انظر الجدول 1 لتركيز المخزون |
| المضاد للفأر CD3e (145-2C11) | bioXcell | BE0001-1 | انظر الجدول 1 لتركيز المخزون |
| المضاد للفأر IFN & gamma ؛ (XMG1.2) | bioXcell | BE0055 | انظر الجدول 1 لتركيز المخزون |
| المضاد للفأر IL-12p40 (C17.8) | bioXcell | BE0051 | انظر الجدول 1 لتركيز المخزون |
| المضاد للفأر IL-4 (11B11) | bioXcell | BE0045 | انظر الجدول 1 لتركيز المخزون |
| BioLite 48-well Multilidish | Thermo Fisher Scientific | 130187 | |
| زلالات مصل الأبقار ، BSA | Sigma Life Science | A3059 | |
| Cas9 إنزيم | IDT | 1081059 | Alt-R S.p. Cas9 Nuclease V3 (10 مجم / مل) - يحتوي على تسلسل التوطين النووي |
| IMDM + IL-7 Media | Complete IMDM مع 5 نانوغرام / مل IL-7 | ||
| IMDM Media | IMDM + GlutMAX ، 10٪ FBS ، 1٪ L-Glutamine ، 1٪ قلم / بكتيريا ، 0.1٪ BME | ||
| كامل RPM Media | RPMI-1640 ، 10٪ FBS ، 1٪ L-Glutamine ، 1٪ قلم / بكتيريا ، 0.1٪ BME | ||
| CRISPick | https://portals.broadinstitute.org/gppx/crispick/public | ||
| crRNAs المطلوبة ؛ | IDT | مستعملة مصممة مسبقا من موقع IDT: https://www.idtdna.com/site/order/designtool/index/CRISPR_PREDESIGN | |
| eBioscience FOXP3 / مجموعة عازلة تلطيخ عامل النسخ | Thermo Fisher Scientific | 00-5523-00 | تحتوي المجموعة على ثلاثة كواشف: تركيز التثبيت / النفاذية (4x) ، مخفف التثبيت / النفاذية ، ومخزن النفاذية (10x) |
| FACS Buffer | 1x PBS ، 1٪ FBS ، 1 ملي مولار EDTA | ||
| مصل الأبقار الجنينية (FBS) | VWR Seradigm علوم الحياة | 97068-085 | قم بتعطيل الحرارة قبل الاستخدام (دافئ إلى 56 درجة ؛ C لمدة 45 دقيقة) FITC |
| مضاد للفأر CD4 (RM4-5) | Biolegend | 100510 | 1/200 تخفيف (تركيز مخزون 0.5 مجم / مل) |
| FITC مضاد للفأر CD8 & alpha ؛ (53-6.7) | Biolegend | 100706 | 1/200 (تركيز مخزون 0.5 مجم / مل) |
| جولجي ستوب | BD Biosciences | 51-2092KZ | 1/2000 تخفيف |
| IMDM (1x) + GlutMAX-1 Media | Gibco | 31980-030 | |
| ملح الكالسيوم Ionomycin من Streptomyces conglobatus (1 مجم / مل) | Sigma Aldrich | 10634 | التركيز النهائي الموصى به 500 نانوغرام / مل |
| L-Glutamine 200 ملي مولار (100x) | أعمدة Gibco | 25030-081 | |
| LS | Miltenyi Biotec | 130-042-401 | |
| MACS Buffer | 1x PBS ، 0.5٪ BSA ، 1 ملي مولار EDTA ، مرشح معقم | ||
| Mitomycin C (0.5 مجم / مل) | Millipore Sigma | M4287-2MG & nbsp ؛ | |
| فأر Naï طقم عزل الخلايا التائية ل ve CD4 | Miltenyi Biotec | 130-104-453 | اتبع Miltenyi Naï ve بروتوكول عزل الخلايا التائية CD4. تتضمن هذه المجموعة Na ï. ve CD4 + T Cell Biotin كوكتيل الأجسام المضادة ، الميكروبيدات المضادة للبيوتين و CD44 Microbeads |
| التحكم السلبي crRNA | IDT | 1072544 | بديل لتصميم التحكم السلبي |
| Nuclease Free Duplex Buffer | IDT | 1072570 | |
| PCR شرائط أنبوب الولايات | المتحدة الأمريكية العلمية | 1402-2700 | |
| البنسلين ستربتومايسين | جيبكو | 15140-023 | |
| فوربول 12-ميريستات 13-أسيتات ، PMA (100 & micro; جم / مل) | Sigma Aldrich | P8139 | التركيز النهائي الموصى به ل 50 نانوغرام / مل |
| ProSeries عالية الأداء 15 مل أنابيب الطرد المركزي | القلوية العلمية | PS5600 | 15 مل أنابيب مخروطية |
| مؤتلفة بشرية (ح) IL-2 | Peprotech | 200-02 | انظر الجدول 1 لتركيز المخزون |
| البشري المؤتلف TGF-b1 (مشتق من HEK293) | Peprotech | 100-21 | انظر الجدول 1 للمخزون تركيز |
| الفأر المؤتلف IL-12p70 | Peprotech | 210-12 | انظر الجدول 1 لتركيز المخزون |
| الفئران المؤتلف IL-4 | Peprotech | 214-14 | انظر الجدول 1 لتركيز المخزون |
| الفئران المؤتلف IL-6 | Peprotech | 216-16 | انظر الجدول 1 لتركيز المخزون |
| الفئران المؤتلف IL-7 | Peprotech | 217-17 | تحضير عند 100 نانوغرام / مل |
| RPMI 1640 Media | Gibco | 21870-076 | |
| Thermal Cycler | Applied Biosystems | 4375786 | نحن نستخدم هذا النموذج من الدراجة الحرارية ، ولكن أي معدات مماثلة ستعمل بشكل جيد في هذا البروتوكول |
| tracrRNA Atto550 المسمى | IDT | 1075928 | يسمح بالكشف عن مجمعات Cas9-gRNA بعد nuceloefection باستخدام فلور Atto550 كقراءة. نوصي بهذا الكاشف إذا كان ذلك ممكنا. |
| Triton-X Buffer | 1x PBS ، 0.5٪ TritonX-100 ، 0.1٪ BSA | ||
| TritonX-100 | BioRad | 161-0407 | |
| tracrRNA غير المسمى ؛ | IDT | 1072534 | خيار tracrRNA أكثر فعالية من حيث التكلفة ، ولكنه لا يسمح بتقييم كفاءة التركيب لمجمعات Cas9-gRNA |
| Veriti Thermal Cycler ، 96 بئر Fast | Thermo Fisher Scientific | 4375305 | نحن نستخدم هذا النموذج من التدوير الحراري ، ولكن أي معدات مماثلة ستعمل بشكل جيد في هذا البروتوكول |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن